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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung einer elektrischen Heizvorrichtung. Dabei betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung einer elektrischen Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrische Heizeinrichtung.
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Die elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, in welche die erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung eingebaut sein kann, kann einer Heizvorrichtung gemäß
EP 1 872 986 A1 entsprechen. Bei diesem Stand der Technik ist eine elektrische Heizeinrichtung mit zumindest einem PTC-Element, an Kontaktflächen des PTC-Elementes elektrisch leitend daran anliegenden Leiterbahnen in Form von Kontaktblechen und außenseitig gegen die Leiterbahnen angelegten Isolierlagen in eine Tasche eingebracht, die als Heizrippe in eine Zirkulationskammer hineinragt. Die elektrische Heizvorrichtung dient der Erwärmung eines flüssigen Mediums, insbesondere Wassers.
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Aus
EP 1 768 457 A1 ist eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welcher zumindest ein PTC-Element zwischen beidseitig elektrisch leitend daran anliegenden Kontaktblechen vorgesehen ist. An der Außenseite der Leiterbahnen befinden sich Isolierlagen. Gegen diese Isolierlagen sind Wellrippenlagen angelegt, die in einem aus Kunststoff ausgebildeten Gehäuse aufgenommen sind, welches Ein- und Auslassöffnungen für den Durchtritt von zu erwärmender Luft ausbildet. Auch eine solche elektrische Heizvorrichtung kann eine elektrische Heizvorrichtung sein, in welcher die elektrische Heizeinrichtung der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
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Bei den zuvor erwähnten Dokumenten aus dem Stand der Technik wird die Leiterbahn durch eine von außen wirkende Klemmkraft gegen das PTC-Element elektrisch kontaktierend angelegt. So kann der zur Erwärmung des PTC-Elementes notwendige Leistungsstrom bei geringem Übergangswiderstand in das PTC-Element eingeleitet werden. Das PTC-Element hat hierzu an seiner Oberfläche üblicherweise eine Metallisierung, die elektrisch leitend mit der Oberfläche der Leiterbahn verbunden ist. Bei diesem Stand der Technik liegt die Blechfläche der Leiterbahn unmittelbar gegen eine durch das PTC-Element gebildete Kontaktierungsfläche an.
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PTC-Elemente sind Halbleiterbausteine, die aus Keramik hergestellt sind. Die Oberfläche der PTC-Elemente ist üblicherweise rau. So erfolgt die Kontaktierung tatsächlich in der Regel über eine Vielzahl von Kontaktflächen, die durch die Rauigkeitsspitzen der Metallisierung des PTC-Elementes gebildet sind und die elektrisch leitend an einer Blechfläche der Leiterbahn anliegen, welche bei makroskopischer Sicht parallel zu der Oberfläche des PTC-Elementes angeordnet ist.
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Neben der guten mechanischen Kopplung zwischen der Leiterbahn und dem PTC-Element ist bei der Fertigung von wärmeerzeugenden Elementen mit an dem PTC-Element befestigten Leiterbahnen auf eine gute Wärmeauskopplung zu achten. Die Leiterbahn liegt üblicherweise an einer Hauptseitenfläche des PTC-Elementes an. Diese Hauptseitenfläche ist die größte Seitenfläche des üblicherweise quaderförmig ausgebildeten Körpers, hier des PTC-Elementes. Die anderen Flächen, die diese Hauptseitenflächen üblicherweise in einer rechtwinkligen Erstreckung zu den Hauptseitenflächen verbinden, werden im Folgenden als Stirnseitenflächen bezeichnet. Sie haben eine wesentlich geringere Breite als die Hauptseitenflächen. Die Breite der Stirnseiten ist üblicherweise zumindest um einen Faktor 3 kleiner als die Breite der Hauptseitenflächen. Die Breite der Stirnseitenflächen bestimmt die Höhe des PTC-Elementes. Jedenfalls liegen üblicherweise die Leiterbahnen gegen die die Wärme auskoppelnden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes an, so dass die Wärme durch die Leiterbahn hindurch ausgekoppelt werden muss. Diese Vorgaben gelten auch für eine bevorzugte Gestaltung des PTC-Elementes des erfindungsgemäßen wärmeerzeugenden Elementes.
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Mitunter werden die Leiterbahnen zusätzlich oder alternativ mittels eines Klebstoffs mit dem PTC-Element verbunden. So beschreibt die
DE 10 2019 220 589 A1 eine elektrische Heizeinrichtung mit Kontaktflächen, von denen durch Unformbearbeitung erzeugte einteilig an den Kontaktblechen ausgebildete Kontaktvorsprünge abfragen. Diese Kontaktvorsprünge liegen unmittelbar elektrisch leitend gegen die Oberfläche des PTC-Elementes an. Ein durch die Kontaktvorsprünge definierter Freiraum zwischen einer ebenen Blechfläche der Kontaktbleche, von der die Kontaktvorsprünge abragen, und dem PTC-Element, ist mit einem gut wärmeleitenden elektrisch isolierenden Kleber ausgefüllt. So ergeben sich definierte Kontaktstellen zur Stromeinleitung.
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Aus
EP 2 053 902 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizeinrichtung bekannt, bei dem ein PTC-Element mit einem Kontaktblech und einer Isolierung in Form einer Kunststofffolie innerhalb eines Positionsrahmens in ein Flachrohr eingesetzt und das Flachrohr umgeformt wird, sodass sich gegenüberliegende Innenflächen des Flachrohres einerseits gegen die Kunststofffolie und andererseits gegen das PTC-Element angedrückt werden, so dass dieses auf der einen Seite unmittelbar gegen das Flachrohr und auf der anderen Seite gegen das Kontaktblech anliegt. Verformt werden Randbereiche des Flachrohres, die gegenüber der wärmeabgebenden Anlagefläche des Flachrohres nach innen versetzt und außerhalb der wärmeabgebenden Flächen liegen. Dieser Stand der Technik lässt sich von der Überlegung leitend, dass die Innenflächen des Flachrohres möglichst flächig gegen die Kunststofffolie bzw. das PTC-Element angedrückt werden, sodass sich eine gute Wärmeauskopplung ergibt.
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Eine ähnliche Lösung ist aus
DE 103 60 159 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik werden allein die einander gegenüberliegenden Hauptseitenflächen eines zunächst im Wesentlichen als Rechteckprofil vorliegenden Flachrohres umgeformt und aufeinander zu gebogen. Die so erzeugte elektrische Heizeinrichtung hat keine klar definierten äußeren, die Wärme abgebenden Flächen.
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Die Druckbeauftragung zum Verpressen des Gehäuses ist nicht immer unkritisch. Erhebliche mechanische Beanspruchungen können das PTC-Element wie auch eine etwaige Isolierlage aus einer Keramik schädigen.
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Abhilfe schafft insofern der Vorschlag gemäß
DE 10 2019 205 848 A1 , bei dem die Innenflächen des Gehäuses durch Vorformen gekrümmter Ränder des Gehäuses außerhalb der Grundfläche des PTC-Elementes und der als Isolierlage vorgesehenen Keramikplatten außen gegen die Keramikplatten angelegt werden.
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Die vorliegende Erfindung will eine elektrische Heizeinrichtung angeben, welche den obigen Anforderungen einer guten mechanischen Verbindung zwischen den Kontaktblechen und dem PTC-Element einerseits und einer guten Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element andererseits in verbesserter Weise gerecht wird.
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Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine elektrische Heizeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Die elektrische Heizeinrichtung hat in an sich aus
DE 10 2019 220 589 A1 bekannter Weise zumindest ein PTC-Element und an üblicherweise sich gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes anliegende Kontaktbleche. Diese Kontaktbleche sind über einen Klebstoff mit dem PTC-Element verbunden. Die Kontaktbleche haben Kontaktvorsprünge.
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Diese Kontaktvorsprünge bilden jeweils Kontaktflächen aus, die elektrisch leitend an der Oberfläche des PTC-Elementes anliegen. Die Kontaktvorsprünge überragen eine regelmäßig ebene Fläche der Kontaktbleche, die im Folgenden als Blechfläche bezeichnet wird und die sich parallel zu der Oberfläche des üblicherweise quaderförmig ausgebildeten PTC-Elementes erstreckt. So geben die Kontaktvorsprünge einen Freiraum zwischen der Oberfläche des PTC-Elementes und der Blechfläche der Kontaktbleche vor, in welchem der Klebstoff aufgenommen ist.
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Durch die Ausgestaltung der Kontaktvorsprünge kann der Freiraum mit definierter Gestalt ausgebildet werden. Dieser Freiraum enthält den Kleber. Üblicherweise ist der Freiraum vollständig oder zumindest nahezu vollständig mit dem Kleber ausgefüllt, so dass der Kleber in dem gesamten Wärmeleitweg vorgesehen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Kontaktbleche jeweils zumindest mit der Größe der Oberfläche des PTC-Elementes vorgesehen sind und dieses vollständig abdecken.
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Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass vordere Endbereiche der Kontaktvorsprünge verformt sind, und zwar infolge des Verformens eines Metallgehäuses, das das PTC-Element, die Kontaktbleche und die außen daran angelegten Isolierlagen in sich aufnimmt und diesen Schichtaufbau gegenüber dem zu erwärmenden Fluid schützt. Das Metallgehäuse wird so verformt, dass die Innenflächen des Metallgehäuses gut wärmeleitend gegen die Außenflächen der Isolierlage angelegt werden. Im Rahmen dieser Verformung des Metallgehäuses werden auch die Kontaktvorsprünge verformt. So ergibt sich eine elektrische Heizeinrichtung, bei welcher die Kontaktvorsprünge an dem PTC-Element anliegende Grenzflächen haben, die plastisch verformt sind, und zwar durch Zusammendrücken der Hauptseitenflächen des Gehäuses und in Infolge des Zusammendrückens dieser Hauptseitenflächen.
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Es ist zu bevorzugen, die vorderen Endbereiche der Kontaktvorsprünge unter Verdrängung des Klebers gegen die Oberfläche des PTC-Elementes plastisch zu verformen. So ist bei der elektrischen Heizeinrichtung der Kleber vorzugsweise randseitig über die Isolierlage bzw. das Kontaktblech herausgedrückt, wodurch mit größerer Sicherheit der Einschluss von Lunker oder Lufträumen vermieden werden kann. Auch kann der überschüssige Kleber einen etwaigen Freiraum zwischen einem rahmenförmigen Gehäuse, das das zumindest eine PTC-Element in sich aufnimmt, und dem PTC-Element und/oder den Kontaktblechen ausfüllen. Die mit dem Leistungsstrom der elektrischen Heizeinrichtung beaufschlagten Teile der Heizzelle werden somit umfänglich von dem Kleber eingesiegelt und mit höherer elektrischer Sicherheit innerhalb des Gehäuses aufgenommen.
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Das Kontaktblech formt eine üblicherweise geschlossene Blechfläche aus. Das Kontaktblech kann aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet sein. Das Kontaktblech kann eine Beschichtung aus einem elektrisch hochwertigen Material wie Silber oder Zinn-Silber aufweisen. Die von der Blechfläche üblicherweise als konvex gekrümmte Erhebungen abragenden Kontaktvorsprünge werden üblicherweise durch eine Biegebearbeitung ausgeformt. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Kontaktvorsprünge über die gesamte Oberfläche des PTC-Elementes ist zu bevorzugen.
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Der Kleber kann jeder beliebige warmfeste Kleber sein. Der Kleber ist insbesondere ein 1-K Silikonkleber, der bei etwa 150° vernetzt. Er kann mit gut wärmeleitenden Partikeln versehen sein. Die maximale Korngröße dieser Partikel sollte 90 µm bevorzugt 70 µm nicht überschreiten. Bevorzugt ist der Kleber ein elektrisch nicht-leitender Kleber. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bevorzugt ausschließlich über die Kontaktfläche der Kontaktvorsprünge. So hat der Kleber eine haftvermittelnde und wärmeleitende Funktion. Zur bestmöglichen Wärmedurchleitung an die Außenseite des wärmeerzeugenden Elementes durch den Kleber ist der Füllstoffanteil der gut wärmeleitenden Partikeln bevorzugt mit mehr als 90 Vol-% besonders bevorzugt mit mehr als 94 Vol-% zu wählen.
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Im Hinblick auf Hochvoltanwendungen ist zumindest an der Außenseite einer der Kontaktbleche eine Isolierschicht vorgesehen. Diese Isolierschicht deckt die Kontaktbleche üblicherweise vollständig ab. Beide Kontaktbleche sind an ihrer Außenseite mit einer entsprechenden Isolierschicht versehen. Die Isolierschicht kann durch eine Keramikplatte, beispielsweise eine Aluminiumoxidplatte gebildet sein. Die Isolierschicht kann auch einen mehrschichtigen Aufbau haben, beispielsweise eine Kombination aus einer Kunststofffolie und einer Keramikplatte gebildet sein, wie dies beispielsweise aus
EP 1 768 457 A1 bekannt ist. Dabei sind die mehreren Lagen der Isolierschicht regelmäßig durch Kalandrieren oder andere Verbindungstechniken zu einer Einheit gefügt.
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Üblicherweise ist die Isolierschicht mit dem zugeordneten Kontaktblech verklebt. Auch dabei sollte im Hinblick auf eine gute Wärmeauskopplung auf eine dünne Klebeschicht geachtet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines wärmeerzeugenden Elementes werden die Kontaktbleche mit einer zunächst ebenen Blechfläche bereitgestellt und zur Ausbildung von der ebenen Blechfläche abragenden Kontaktvorsprüngen umformend bearbeitet. In Anschluss wird ein Kleber auf die Kontaktbleche aufgebracht wird ohne dass die Endbereiche der Kontaktvorsprünge mit dem Kleber bedeckt werden. Der Kleber wird bevorzugt auf beide Flächen der Kontaktbleche aufgebracht, bevor die Kontaktbleche unter Einschluss des Klebstoffs an gegenüberliegenden Seiten gegen das PTC-Element angelegt werden. Mit außen gegen die Leiterbahnen angelegten Isolierlagen erfolgt das Einbringen in die Tasche des Metallgehäuses. Das Metallgehäuse wird im Anschluss so verformt, dass die Innenflächen des Metallgehäuses in Richtung auf das PTC-Element gedrängt werden. Die Verformung ist eine plastische Verformung. Im Rahmen dieser plastischen Verformung werden gegen das PTC-Element anliegende Endbereiche der Kontaktvorsprünge plastisch verformt. Diese plastische Verformung erlaubt zum einen eine weitere Annäherung der Kontaktbleche insgesamt an das PTC-Element. Der Freiraum zwischen der ebenen Blechfläche und dem PTC-Element wird verringert und damit der Wärmeleitweg. Durch die plastische Verformung ergibt sich ferner ein inniger elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktvorsprüngen und dem PTC-Element namentlich der daran vorgesehenen Metallisierung. Die raue Oberfläche des PTC-Elementes drückt sich unter plastischer Verformung des Blechmaterials der Kontaktbleche in die Kontaktvorsprünge.
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Bevorzugt wird der Kleber auf der mit den Kontaktvorsprüngen versehenen Seite der Leiterbahn mit einer Stärke in der Regel mittels Siebdruck aufgetragen, die größer ist als die Höhe der Kontaktvorsprünge über der ebenen Blechfläche. So liegen die zunächst unverformten Endbereiche der Kontaktvorsprünge vor dem Fügen unterhalb einer Ebene, die durch die Oberfläche des Klebers gebildet ist. In einer Querschnittsansicht durch die Leiterbahn vor dem Fügen bildet der Kleber auf der einen Seite und die Blechfläche auf der anderen Seite die Außenfläche. Die Kontaktvorsprünge enden unterhalb der durch den Kleber gebildeten Ebene, liegen aber in Ausnehmungen innerhalb der Klebeschicht frei.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines wärmeerzeugenden Elementes;
- 2 eine perspektivische Draufsicht des Ausführungsbeispiels nach 1 nach dem Fügen der Heizzelle und vor dem Einbringen in das Metallgehäuse;
- 3 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels im Rahmen der Montage;
- 4 eine Querschnittsansicht gemäß 3 in einer späteren Phase der Montage;
- 5 eine Querschnittsansicht gemäß 4 in einer späteren Phase der Montage;
- 6a eine Draufsicht auf das Kontaktblech des Ausführungsbeispiels;
- 6b eine stark vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie A-A gemäß 6a, wobei der hier gezeigte Kontaktvorsprung hinter der Schnittlinie liegt;
- 7 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht durch Lagen der Heizzelle vor dem Fügen des PTC-Elementes;
- 8 eine Querschnittsansicht gemäß 7 nach dem Fügen des PTC-Elementes;
- 9 eine schematische Ansicht eines Umformwerkzeugs;
- 10 eine Querschnittsansicht gemäß 6 bzw. 7 nach dem Umformen des Metallgehäuses;
- 11 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer PTC-Heizeinrichtung, und
- 12a-i perspektivische Draufsichten auf Teile der elektrischen Heizvorrichtung zur Darstellung der Montageabfolge.
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Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt ein Gehäuse 2 aus Kunststoff, welches rahmenförmig ausgebildet ist und einen Aufnahmeraum 4 zur Aufnahme von PTC-Elementen 6 ausformt. Die beiden PTC-Elemente 6 sind jeweils quaderförmig ausgebildet und haben einander gegenüberliegende Hauptseitenflächen 8, die ganz überwiegend die durch das PTC-Element 6 erzeugte Wärme nach außen abgeben und die durch jeweils umlaufende Stirnflächen 10 miteinander verbunden sind. Gegenüberliegend zu der Oberfläche 8 sind jeweils Leiterbahnen in Form von Kontaktblechen 12 gezeigt, die jeweils eine durch Stanzen und Biegen aus dem Blechmaterial ausgeformte Anschlussfahne 14 haben. Korrespondierend zu diesen Anschlussfahnen 14 sind an dem Gehäuse 2 Stutzen 16 vorgesehen, die die jeweiligen Anschlussfahnen 14 in sich aufnehmen, so dass die Anschlussfahnen 14 mit ihrem freien Ende das Gehäuse 2 überragen. Diese freien Enden der Anschlussfahne 14 dienen der Bestromung der PTC-Elemente 6 innerhalb des Gehäuses 2. Die Stutzen 16 werden nach dem Einlegen der Anschlussfahnen 14 mit einem Deckel 17 abgedeckt, der mittels Warmverstemmen von Stiften, die von dem Gehäuse 2 ab- und jeweils eine Bohrung des Deckels durchragen, an dem Gehäuse befestigt wird.
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Mit Bezugszeichen 18 sind Isolierlagen in Form von Aluminiumoxidplatten gezeigt, deren Grundfläche (ohne die Anschlussfahnen 14) größer als die Grundfläche der Kontaktbleche 12 bzw. des Aufnahmeraumes 4 ist und welche zumindest teilweise das rahmenförmige Gehäuse 2 im gefügten Zustand überdecken. Der durch das Gehäuse 2 gebildete Aufnahmeraum 4 ist jedenfalls bei einer Draufsicht auf die Aluminiumoxidplatten 18 vollständig von diesen abgedeckt. Die Kontaktbleche 12 befinden sich innerhalb des Aufnahmeraums 4, nicht jedoch die Anschlussfahnen 14. Den Aufnahmeraum 4 umgebende Holme des rahmenförmigen Gehäuses 2 haben eine geringere Dicke als die PTC-Elemente 6 zusammen mit den daran anliegenden Kontaktblechen 12. Die zuvor beschriebenen Bauteilteile bilden eine mit Bezugszeichen 19 gekennzeichnete Heizzelle aus.
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Mit Bezugszeichen 20 ist ein Metallgehäuse aus Aluminium gekennzeichnet, das mittels Fließpressen hergestellt ist und eine unterseitig geschlossene Tasche 22 ausbildet, die in ihrem Innern einander gegenüberliegenden Innenflächen 24 ausbildet (vgl.
3). Über das Metallgehäuse 20 wird nach dem Umformen des Metallgehäuse 20 endseitig ein Dichtkragen 26 aus einem weichelastischen Kunststoff gezogen, um die in
5 gezeigte elektrische Heizeinrichtung 28 dichtend in eine Aufnahmetasche einer Trennwand einzubringen, die beispielsweise in
DE 10 2016 224 296 A1 beschrieben ist. Das Metallgehäuse 20 nimmt die die Heizzelle 19 in sich auf und schützt diese vor dem zu erwärmenden Medium.
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Die 2 verdeutlicht die Heizzelle 19 vor dem Einbringen in das Metallgehäuse 20. Mit Bezugszeichen 30 ist ein Klebemuster gekennzeichnet, welches außen auf die Aluminiumoxidplatte 18 aufgebracht ist. Dieses Klebemuster 30 hat eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche 32 und von den Ecken dieser rechteckigen Grundfläche 32 abgehende Zipfelabschnitte 34 (vgl. auch 12i). Der dieses Klebemuster 30 ausformende Klebstoff ist mit Bezugszeichen 36 gekennzeichnet. Die Zipfelabschnitte 34 gehen im Grunde in Verlängerung einer Diagonalen durch die rechteckige Grundfläche 32 von den jeweiligen Ecken der Grundfläche 32 ab. Das Klebemuster 30 hat eine durch die freien Enden der Zipfelabschnitte definierte rechteckige Hüllfläche, deren Größe in etwa der Größe der Hauptseitenfläche 8 des PTC-Elementes 6 entspricht und diese Hauptseitenfläche 8 im Wesentlichen abdeckt.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 und 12a bis in die Herstellung der elektrischen Heizeinrichtung 28 beschrieben.
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Zunächst werden die in 1 gezeigten Komponenten bereitgestellt. Das Gehäuse 2 wird mittels Spritzgießen von Kunststoff hergestellt. Das Metallgehäuse 20 wird durch Fließpressen aus Aluminium hergestellt. Beim Fließpressen wird das Metallgehäuse 20 als unterseitig geschlossene Tasche 22 ausgebildet. Der Abstand der Innenflächen 24 ist größer als die Dicke der Heizzelle 19.
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Die beiden Kontaktbleche 12 der Heizzelle 19 werden aus einem Blech durch Stanzen und Biegen bereitgestellt. Durch Stanzen wird die Grundform der jeweiligen Kontaktbleche 12 mit den Anschlussfahnen 14 ausgeformt. Im Rahmen der Biegebearbeitung werden mit Bezugszeichen 40 gekennzeichnete und in den 6a, 6b, bzw. 7 gezeigte Kontaktvorsprünge durch Umformbearbeitung ausgeformt. Die Kontaktvorsprünge 40 sind als geringfügig konvex gekrümmte Erhebungen ausgebildet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel haben diese Kontaktvorsprünge 40 eine Höhe H über der durch eine ebene Blechfläche 42 von etwa 0,1 mm. Im Rahmen der Biegebearbeitung werden auch die Anschlussfahnen 14 aus der Ebene von Blechflächen 42 herausgebogen.
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Die so vorbereiteten Kontaktbleche 12 werden mit einem Kleber 44 versehen. Der Kleber 44 wird auf beide Hauptseitenflächen der Kontaktbleche 12 appliziert. Der Auftrag auf der von den Kontaktvorsprüngen 40 überragten Blechfläche 42 erfolgt mittels Siebdruck. Dabei werden um die Kontaktvorsprünge 40 jeweils Ausnehmungen 46 freigelassen (vgl. 12c). Der Kleber 44 bildet auf dieser Seite der Blechfläche 42 eine Klebeschicht 48 aus, deren Stärke S größer als die Höhe H der Kontaktvorsprünge 40 ist (vgl. 7, 12c). Auch der auf der den Kontaktvorsprüngen 40 abgewandte Rückseite vorgesehene Kleber 44 wird mittels Siebdruck in Form des zuvor beschriebenen Klebemusters 30 aufgebracht (vgl. 12b)
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Zur Montage wird zunächst die in 1 Isolierlage 18 auf eine Arbeitsfläche abgelegt und auf diese das Gehäuse 2 aufgelegt (vgl. 12a). Der Aufnahmeraum 4 zeigt nach oben.
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Das zuvor beschriebene beidseitig mit Kleber 44 versehene Kontaktblech 12 wird in den Aufnahmeraum 4 des Gehäuses 2 eingelegt und dabei mit der zugeordneten Isolierlage 18 verklebt. Wie die 4 und 5 vermittelt, überragt die Aluminiumoxidplatte 18 die Schenkel des rahmenförmigen Gehäuses 2, wohingegen sich das Kontaktblech 12 innerhalb des Aufnahmeraumes 4 befindet. Nach dem Einbringen des Kontaktfläche 12 liegt die entsprechende Anschlussfahne 14 des Kontaktblechs 12 in dem Stutzen 16 (vgl. 12d).
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Von der in 1 hinteren Seite werden nun die PTC-Elemente 6 in den Aufnahmeraum 4 eingebracht (vgl. 12e). Sodann wird das mit Kleber 44 versehende weitere Kontaktblech 12 montiert und dabei gegen die PTC-Elemente 6 angelegt (vgl. 12f). Der Deckel 17 wird montiert (vgl. 12g). Dabei werden von dem Gehäuse 2 abragende und Bohrungen in den Anschlussfahnen 14 durchsetzende Stifte des Gehäuses 2 durch zugeordnete Bohrungen in dem Deckel 17 geführt. Zur Befestigung des Deckels 17 werden diese Stifte gegen den Deckel 17 warmverstemmt, sodass die Kontaktbleche 12 relativ zu dem Gehäuse 2 gesichert und festgelegt sind. Danach wird die zweite Aluminiumoxidplatte 18 gegen das Kontaktblech 12 angelegt (vgl. 12h).
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Im Rahmen der Montage können die einzelnen Schichten der Heizzelle 19 gegeneinander angedrückt werden, um das vorläufige Haften der einzelnen Lagen des Schichtaufbaus über den Kleber 44 zu verbessern.
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Sodann wird auf die Außenflächen der beiden Aluminiumoxidplatten 18 das Klebemuster 30 mittels Siebdruck aufgebracht (vgl. 12i).
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Die so montierte Heizzelle ist in 2 noch außerhalb des Metallgehäuses 20 zu erkennen.
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Die Heizzelle 19 wird - wie in den 3 und 4 erkennbar - in das Metallgehäuse 20 eingeschoben, bis der obere freie Rand des Metallgehäuses 20 gegen einen Kragen des Gehäuses 2 stößt. Diese Einbaulage ist in 4 gezeigt.
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Sodann wird das Metallgehäuse 20 von außen in einer noch zu beschreibenden Weise verpresst, so dass die Innenflächen 24 des Metallgehäuses 22 gegen die Aluminiumoxidplatten 18 angelegt werden. Der Klebstoff 36 bzw. 44 wird dabei aus dem mittleren Bereich der rechteckigen Grundfläche 32 verpresst und nach außen gedrängt, und zwar schwerpunktmäßig über die Mitte der jeweiligen Rechteckseiten der rechteckigen Grundfläche 32. Mit anderen Worten wird der Klebstoff aus der rechteckigen Grundfläche 32 nach außen zwischen die Zipfelabschnitte 34 gedrängt. So ergibt sich eine vollflächige Verklebung der Innenflächen 24 des Metallgehäuses 20 über einer der Projektion der Hauptseitenflächen 8 der PTC-Elemente entsprechenden Fläche. Entsprechendes gilt für die Klebeverbindung zwischen dem Kontaktblech 12 und der zugeordneten Aluminiumoxidplatte 18. So ist eine gute Wärmeauskopplung durch die verschiedenen Schichten der Heizzelle 19 gegeben.
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Die 7 bis 9 verdeutlichen die Vorgänge innerhalb der Heizzelle beim Verpressen. Dabei zeigt 7 beispielsweise einen Querschnitt nach dem Fügen der in 1 vorderen Aluminiumoxidplatte mit dem in 1 vorderen Kontaktblech 12 und dem Gehäuse 2. Ersichtlich überragt die Klebeschicht 48 die Kontaktvorsprünge 40 in Höhenrichtung. Jeder der Kontaktvorsprünge 40 liegt innerhalb der Ausnehmung 46 frei. Der höchste Punkt des Kontaktvorsprungs 40 liegt unterhalb der Außenfläche der Klebeschicht 48. Diese hat eine Stärke S von zwischen 0,13 und 0,15 mm. So überragt die Klebeschicht 48 die Kontaktvorsprünge 40 mit Höhe H von etwa 0,1 mm um 0,03 bis 0,05 mm. Die Kontaktvorsprünge 40 sind vorliegend noppenförmig vorgesehen und haben einen Durchmesser von ca. 2 mm. Die Ausnehmungen 46 sind kreisrund und haben einen Durchmesser von 5,0 bis 5,5 mm. Es versteht sich, dass statt noppenförmigen auch Kontaktvorsprünge mit anderen Formen vorgesehen sein können, beispielsweise Rippen oder Stege. Wichtig ist lediglich eine angemessene Formgebung, so dass die Kontaktvorsprünge 40 sich im Rahmen der Herstellung plastisch verformen und gegen das PTC-Element 6 anlegen lassen, ohne dass allzu hohe Umformkräfte von außen gegen das Metallgehäuse 20 wirken müssen. Die Form der Ausnehmungen folgt der Kontur der Kontaktvorsprünge.
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In 8 ist bereits das PTC-Element 6 gegen die Klebeschicht 48 angelegt und gegen diese Klebeschicht verdrückt, so dass die Klebeschicht unter Verdrängung auch in die Ausnehmung 46 höhenmäßig vermindert wird. Überschüssiges Klebematerial wird auch in einen umlaufenden Spalt zwischen den Kontaktblechen 12, den PTC-Elementen 6 einerseits und den den Aufnahmeraum 4 begrenzenden Holmen des Gehäuses 2 verdrängt. Vorsprünge innen an den Holmen halten diesen Spalt umfänglich um die Heizzelle 19 frei. Im Ergebnis ist die Heizzelle 19 umfänglich vollständig durch den elektrisch isolierenden Kleber 44 umgeben, der innen gegen die Isolierschichten anliegt. So sind die den Leistungsstrom führenden Komponenten 6, 12 elektrisch gekapselt in dem Gehäuse 2 aufgenommen, was insbesondere beim Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung mit Hochvolt z.B. in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit dem Strom für den Antrieb desselben im Hinblick zur Erhöhung der elektrischen Sicherheit zu bevorzugen ist.
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Die in 8 gezeigte Situation kann vor dem Einbringen der Heizzelle 19 in das Metallgehäuse 20 gegeben sein. Sie kann sich aber auch erst im Rahmen der Umformung des Metallgehäuses 20 ergeben. Das mit der Heizzelle 19 bestückte Metallgehäuse 20 wird hierzu zwischen zwei in 9 mit Bezugszeichen 50 gekennzeichnete temperierte Stempel verbracht. Die Stempel 50 sind über Schläuche 52 an eine Zirkulation mit temperiertem Öl angeschlossen, wodurch die Stempel 50 auf eine Temperatur von etwa 180 °C gebracht und auf dieser Temperatur gehalten werden.
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Die temperierten Stempel 50 sind über Federn 54 gegenüber stellbaren Halteplatten 56 abgestützt. Von den Halteplatten 56 ragen starr mit diesen verbundene Pressplatten 57 in Richtung auf das Metallgehäuse 20 ab. Die Halteplatten 56 sind motorisch bewegt. Sie können aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Im Rahmen dieser Bewegung werden die Stempel 50 zunächst außen und auf Höhe der PTC-Elemente 6 gegen das Metallgehäuse 20 angelegt. Eine weitere Zustellbewegung der Halteplatten 56 wird zunächst durch Kompression der Federn 54 aufgenommen, die einen gewissen Anpressdruck erzeugen, mit welchem die Stempel 50 außen gegen das Metallgehäuse 20 gedrückt werden. Bei einer durch die Federkonstante und den Federweg kontrollierbaren hinreichenden Umformkraft wird das Metallgehäuse 20 auf Höhe der PTC-Elemente 6 umgeformt. Im Rahmen dieser Umformung werden die Kontaktvorsprünge 40 verformt. Im Rahmen dieser Umformung werden sämtliche Kontaktvorsprünge 40 verformt. Im Ergebnis ergibt sich eine Abflachung der Kontaktvorsprünge 40, so dass diese umgeformte flache Endbereiche ausbilden. Ein solcher umgeformter Endbereich ist in 10 mit Bezugszeichen 58 gekennzeichnet. Die Blechflächen 42 der Kontaktbleche 12 sind danach näher an die PTC-Elemente 6 verbracht.
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Die Pressplatten 57 wirken auf Höhe eines Dichtbereiches auf das Metallgehäuse 20 ein. Dieser Dichtbereich wird durch den verbreiterten Rahmenquerholm zwischen dem Aufnahmeraum 4 und den davon abragenden Stutzen 16 am oberen freien Ende des Gehäuses 2 gebildet. Dort bildet das Gehäuse 2 und der Deckel 17 eine ebene zylindrische Fläche aus. Die Pressplatten 57 sind nachlaufend und wirken gegen den Dichtbereich. Sie drücken das Metallgehäuse 20 gegen das Gehäuse 2 im Rahmen der Zustellbewegung der Halteplatten 56 und am Ende dieser Zustellbewegung an.
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Wie ein Vergleich der 8 und 10 verdeutlicht, wird der Kleber 44 bei der Verformung des Metallgehäuses 20 auf Höhe der PTC-Elemente 6 innerhalb eines in den 8 und 10 mit Bezugszeichen 60 gekennzeichneten Freiraums verdrängt. Die Höhe des Freiraums 60 nimmt bei der Verformung ab. So wird der Kleber 44 in Richtung auf die Kontaktvorsprünge 40 wie auch in Richtung auf die Außenumfangsfläche der Heizzelle 19 und in den Aufnahmeraum 4 verdrängt. Im Ergebnis ergibt sich am Ende der Umformbearbeitung ein Freiraum 60, dessen Spalthöhe geringer als die Höhe H der Kontaktvorsprünge 40 im Ausgangszustand ist. Der Wärmeleitweg ist deutlich verringert. Durch das Verformen der Kontaktvorsprünge ist ein zuverlässiger elektrischer Kontakt mit dem PTC-Element 6 hergestellt. Auch der auf dem PTC-Element 6 abgewandten Seite der Kontaktbleche 12 vorgesehene Kleber wird zwischen der Isolierlage 18 und dem Kontaktblech 12 mit Druck beaufschlagt mit der Folge, dass ein inniger Verbund zwischen dem Kontaktblech 12 und der Aluminiumoxidplatte 18 bewirkt wird und darüber hinaus überschüssiger Kleber gegen die Rückseite der Kontaktvorsprünge 40 verdrängt wird (vgl. 10).
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Die temperierten Stempel 50 wirken über eine gewisse Zeit auf das Metallgehäuse 20 ein, die ausreicht, den Kleber 44 wie auch den Klebstoff 36 zu vernetzen. So wird der unmittelbare Kontakt sämtlicher Lagen im Wärmeleitweg von den PTC-Elementen 6 bis zu der Außenfläche des Metallgehäuses 20 durch Verkleben gesichert. Die Stempel 50 werden erst von dem Metallgehäuse 20 nach dem Vernetzen des Klebers 44, 36 abgerückt. So wird die durch die Stempel 50 eingebrachte Verformung über den ausgehärteten Kleber 44 bzw. den Klebstoff 36 gesichert.
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Zwischen Kleber 44 und Klebstoff 36 wird vorliegend vor allem terminologisch unterschieden. Der Kleber 44 und der Klebstoff 36 können stoffidentisch sein.
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11 zeigt eine perspektivische Draufsicht einer als Wasserheizer ausgebildeten elektrischen Heizvorrichtung 98 mit einem Heizergehäuse 100. Das Heizergehäuse 100 hat ein Gehäusewannenelement 102 aus Kunststoff. Das Heizergehäuse 100 bildet einen Einlassstutzen 104 und einen Auslassstutzen 106 aus, die vorliegend einteilig an dem Gehäusewannenelement 102 ausgebildet sind. Die Stutzen 104, 106 sind als Schlauchanschlussstutzen ausgebildet und bilden eine Einlassöffnung 108 bzw. eine Auslassöffnung 110 zu einer mit Bezugszeichen 112 gekennzeichneten Heizkammer aus.
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Die Heizkammer 112 ist durch eine Trennwand 116 aus Kunststoff von einer Anschlusskammer 114 getrennt und gegenüber dieser abgedichtet. Die Trennwand 116 bildet weibliche Steckelementaufnahmen 118 für die mehreren elektrischen Heizeinrichtungen 28 aus, die jeweils mit Hilfe der mit dem Metallgehäuse 20 verbundenen Dichtkragen 26 dichtend in die weiblichen Steckelementaufnahmen 118 eingesetzt und an einem Boden 120 des Gehäusewannenelementes 102 abgestützt sind. Bezugszeichen 122 kennzeichnet ein Steuerungsgehäuse, welches mit weiteren Details in
DE 10 2019 205 848 beschrieben ist.
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Die erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtungen 28 in Verbindung mit einer solchen elektrischen Heizvorrichtung 98 oder den in der Beschreibungseinleitung abgehandelten Beispielen von elektrischen Heizvorrichtungen können ebenfalls die Erfindung verwirklichen. Danach verkörpert sich die vorliegende Erfindung auch in einer elektrischen Heizvorrichtung 98 insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit zumindest einem der erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtungen 28.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gehäuse
- 4
- Aufnahmeraum
- 6
- PTC-Element
- 8
- Hauptseitenfläche
- 10
- Stirnfläche
- 12
- Kontaktblech
- 14
- Anschlussfahne
- 16
- Stutzen
- 17
- Deckel
- 18
- Aluminiumoxidplatte
- 19
- Heizzelle
- 20
- Metallgehäuse
- 22
- Tasche
- 24
- Innenfläche
- 26
- Dichtkragen
- 28
- elektrische Heizeinrichtung
- 30
- Klebemuster
- 32
- rechteckige Grundfläche
- 34
- Zipfelabschnitte
- 36
- Klebestoff
- 40
- Kontaktvorsprünge
- 42
- Blechfläche
- 44
- Kleber
- 46
- Ausnehmung
- 48
- Klebeschicht
- 50
- Stempel
- 52
- Schlauch
- 54
- Federn
- 56
- Halteplatte
- 57
- Pressplatten
- 58
- Endbereich
- 60
- Freiraum
- 98
- elektrischen Heizvorrichtung
- 100
- Heizergehäuse
- 102
- Gehäusewannenelement
- 104
- Einlassstutzen
- 106
- Auslassstutzen
- 108
- Einlassöffnung
- 110
- Auslassöffnung
- 112
- Heizkammer
- 114
- Anschlusskammer
- 116
- Trennwand
- 118
- weibliche Steckelementaufnahme
- 120
- Boden
- 122
- Steuerungsgehäuse
- H
- Höhe der Kontaktvorsprünge
- S
- Stärke der Klebeschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1872986 A1 [0002]
- EP 1768457 A1 [0003, 0021]
- DE 102019220589 A1 [0007, 0014]
- EP 2053902 A1 [0008]
- DE 10360159 A1 [0009]
- DE 102019205848 A1 [0011]
- DE 102016224296 A1 [0028]
- DE 102019205848 [0051]
