DE102022120453A1

DE102022120453A1 - PTC-Heizvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102022120453A1
Application number: DE102022120453.7A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Freitag; Ulrich Mundt; Michael Clade
Original assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240053057A1; CN117596735A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PTC-Heizvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung mit zumindest einem PTC-Element (16), das durch eine Metallisierung (20) gebildete Kontaktflächen (24) aufweist, und mit unterschiedlicher Polarität zuzuordnenden Kontaktelemente (14), die mit den Kontaktflächen (24) elektrisch kontaktiert sind. Zur Schaffung einer PTC-Heizvorrichtung mit erhöhter elektrischer Sicherheit, die sich wirtschaftlich herstellen lässt, wird mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass beide Kontaktflächen (24) umfänglich durch einen der Kontur der jeweiligen Kontaktfläche (24) folgenden Rahmen (18) aus einem elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrag abgedichtet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden PTC-Heizvorrichtung (12) werden zumindest ein PTC-Element (16) mit einer Kontaktflächen (24) ausbildenden Metallisierung (20) versehenen und unterschiedlicher Polarität zuzuordnende Kontaktelemente (14) jeweils mit einer der Kontur der Kontaktflächen (24) folgenden Strang eines elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrags versehen. Danach werden die Kontaktflächen (24) mit den beiden Kontaktelementen (14) elektrisch leitend kontaktiert werden und dabei wird der adhäsive Auftrag so verdrängt, dass beide Kontaktflächen (24) umfänglich durch einen durch den adhäsiven Auftrag gebildeten Rahmen (18) abgedichtet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine PTC-Heizvorrichtung mit zumindest einem PTC-Element, das durch eine Metallisierung gebildete Kontaktflächen aufweist. An diesen Kontaktflächen, die sich regelmäßig auf gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des regelmäßig aus einer Keramik hergestellten PTC-Elementes ausgebildet sind, liegen Kontaktelemente elektrisch kontaktiert an, die unterschiedlicher Polarität zuzuordnen sind. So wird das PTC-Element über die Kontaktelemente mit dem Leistungsstrom versorgt.
Die Kontaktelemente können durch Kontaktbleche gebildet sein, was der Regelfall sein dürfte. Die Kontaktelemente können aber auch durch andere elektrisch leitende Strukturen gebildet sein, die aus einem oder mehreren Werkstoffen bestehen können, die nicht notwendigerweise jeweils elektrisch leitend sein müssen. So ist es bekannt, Streckmetall oder auch ein Drahtgitter als Kontaktelement zu verwenden, dessen Freiräume durch einen gut wärmeleitenden Kleber ausgefüllt sind. Im Hinblick auf eine definierte Einleitung des Leistungsstromes werden mitunter auch definierte Kontaktpunkte, die durch das Kontaktelement gebildet werden und elektrisch leitend gegen die Kontaktfläche anliegen, bevorzugt.
Eine gattungsgemäße PTC-Heizvorrichtung ist aus EP 1 515 587 A1 bekannt. Bei diesem Stand der Technik ist die PTC-Heizvorrichtung in einem geschichteten Aufbau aufgenommen, der neben der PTC-Heizvorrichtung auch Wellrippenlagen umfasst. Mehrere PTC-Heizvorrichtungen und beidseitig daran anliegende Wellrippenlagen sind in einem rahmenförmigen Heizergehäuse aufgenommen.
Bei dem zuvor erwähnten Stand der Technik wird ein Kontaktelement in Form eines Kontaktblechs, welches mit einer Wellrippenlage eine bauliche Einheit bildet, mit einem adhäsiven Auftrag versehen. Der adhäsive Auftrag wird in EP 1 515 587 A1 als Lack aus einem elektrisch nicht leitenden Material offenbart. Dieser Lack wird flächig auf das Kontaktelement aufgebracht, um das PTC-Element auf dem Kontaktblech zu fixieren. Im Rahmen dessen wird das PTC-Element gegen das Kontaktblech angedrückt, um hierbei den Lack zwischen dem PTC-Element und dem Kontaktblech zu verdrängen, sodass das PTC-Element elektrisch leitend an das Kontaktblech angelegt wird. Dazu ist zu verstehen, dass das PTC-Element herstellungsbedingt an seiner Kontaktfläche eine gewisse Rauigkeit hat. Selbst wenn ein gewisser Anteil des elektrisch nicht leitenden Lacks in dem Zwischenraum verbleibt, so durchsetzen Rauigkeitsspitzen den Lack und kontaktieren das Kontaktblech.
Der verdrängte Lack sammelt sich am Außenumfang des PTC-Elementes an und bewirkt dort eine Versiegelung, die die Kontaktfläche umfänglich umgibt. Die gegenüberliegende Kontaktfläche wird durch Auflegen des anderen Kontaktbleches gegen das PTC-Element kontaktiert.
Der aus EP 1 515 587 A1 beschriebene Vorschlag ist durchsetzt von dem Gedanken einer vereinfachten Fertigung. Der Lack soll die mehreren PTC-Elemente hintereinander an dem länglichen Kontaktblech fixieren und so eine Handhabung einer baulichen Einheit ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine PTC-Heizvorrichtung mit erhöhter elektrischer Sicherheit anzugeben, die sich wirtschaftlich herstellen lässt. Auch will die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren vorschlagen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, beide Kontaktflächen umfänglich durch einen der Kontur der jeweiligen Kontaktfläche folgenden Rahmen aus einem elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrag abzudichten.
Im Gegensatz zu dem zuvor erwähnten Stand der Technik beschränkt sich dabei das den Auftrag bildende Material auf den Rahmen. Weder außerhalb des Rahmens noch innerhalb des Rahmens, d.h. zwischen den Kontaktflächen und den jeweiligen Kontaktelementen, befindet sich üblicherweise vollflächig vorgesehenes Material des Auftrags. Dieses Material ist bevorzugt ein Silikonlack, wie er grundsätzlich aus EP 1 515 587 A1 bekannt ist.
Bei der erfindungsgemäßen PTC-Heizvorrichtung befinden sich Rahmen aus dem adhäsiven Auftrag jeweils auf beiden Seiten der Kontaktelemente zwischen diesen und den Kontaktflächen des PTC-Elementes. Die Rahmen sind in Höhenrichtung des PTC-Elementes üblicherweise voneinander beabstandet, d.h. der dem einen Kontaktelement zugeordnete Rahmen berührt nicht den dem anderen Kontaktelement zugeordneten Rahmen des adhäsiven Auftrags.
Der Auftrag kann beispielsweise durch Siebdruck oder in Form eines als Raupe zudosierten Stanges adhäsiver Masse auf die Kontaktelemente aufgebracht werden. Die jeweiligen Rahmen haben dabei in etwa die Kontur der Kontaktfläche, die der Außenumfangsfläche des PTC-Elementes entsprechen kann. Der Rahmen kann auch geringfügig kleiner als die Kontur des PTC-Elementes sein, sodass sich der Rahmen nur unterhalb des PTC-Elementes dieses umfänglich umgebend oder sowohl teilweise unterhalb des PTC-Elementes wie auch außerhalb des PTC-Elementes und dieses umfänglich umgebend erstreckt. Beim Auftrag einer Raupe sollte durch einen geeigneten Fügedruck erreicht werden, dass der adhäsive Auftrag weitestgehend in Richtung auf die Umfangsfläche des PTC-Elementes verdrängt wird. Ziel ist jeweils eine umfängliche Abdichtung der Kontaktfläche und damit dem elektrischen Leitungsweg zwischen dem PTC-Element und dem Kontaktelement.
Die erfindungsgemäße PTC-Heizvorrichtung kommt insbesondere in einer elektrischen Heizvorrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, die mit einem Leistungsstrom von maximal 60 Volt betrieben wird. Solche elektrische Heizvorrichtungen können beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug verbaut und mit der entsprechenden Spannung betrieben sein. Die Abdichtung der Kontaktflächen schafft in diesem Spannungsbereich eine hinreichende elektrische Sicherheit. Die elektrische Heizvorrichtung wird bevorzugt in einem HVAC verbaut, in dem auch Komponenten der Klimaanlage vorgesehen sind. Insbesondere im Hinblick auf diese Fallgestaltung wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, das Kontaktelement als nicht beschichtetes Kontaktblech auszubilden. Das Kontaktblech kann aus einem Aluminium-Basismaterial gebildet sein, worunter auch reines Aluminium zu verstehen ist. Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung des aus EP 1 515 587 A1 beschriebenen Kontaktblechs, welches dort ein mit einer Verzinnung versehenes Messingblech ist, die Verzinnung sich unter Einwirkung eines Kühlmittels und einer angelegten Spannung von 40-60 Volt von dem Messingblech ablöst. Das Kühlmittel kann dabei aus einer Leckage der für die Kühlung des Fahrzeuginnenraumes vorgesehenen Komponenten in das HVAC austreten. Die so aufgelösten metallischen Partikel führen zu einem elektrisch leitenden Pfad innerhalb der elektrischen Heizvorrichtung, die zu einem Kurzschluss führt, welches den in dem leitenden Pfad entstehenden Wasserstoff und das EthylenGlykol-Kühlmittel entzündet. Dieser Schadensverlauf wird mit der Verwendung von unbeschichteten Kontaktblechen, die die Kontaktelemente bilden, verhindert.
Auch ist es zu bevorzugen, die Metallisierung und das Kontaktelement aus demselben Basismaterial herzustellen, bevorzugt stoffidentisch auszubilden. So kann die Metallisierung aus einem Aluminium-Basismaterial gebildet sein, welches dem Aluminium-Basismaterial des Kontaktelementes entspricht. Durch die Wahl des gleichen Werkstoffs für die Ausbildung der Kontaktfläche und des Kontaktelementes dürften Leistungsverluste aufgrund von Korrosion zwischen der Kontaktfläche und dem Kontaktelement vermieden werden.
Aber auch elektrisch höherwertige Metallisierungen sind denkbar. So kann die Metallisierung auch aus einem Silber-Basismaterial gebildet sein.
Wie bei dem Stand der Technik EP 1 515 587 A1 bekannt, dient auch bei der vorliegenden Erfindung der adhäsive Auftrag bevorzugt dem Fügen des PTC-Elementes mit den Kontaktelementen. Auf einen gesonderten Positionsrahmen, der sich zwischen den beiden Kontaktelementen befindet und Ausnehmungen hat, in die PTC-Elemente neben- oder hintereinander eingebracht und somit an vorbestimmter Position relativ zu der Erstreckung der PTC-Heizvorrichtung positioniert werden, kann verzichtet werden.
Wie an sich aus dem zuvor erwähnten Stand der Technik bekannt, kann zumindest eines der Kontaktelemente in baulicher Einheit mit einer Radiatorlage vorgesehen sein. Zumindest eines der Kontaktelemente, bevorzugt beide Kontaktelemente, bilden Anschlussfahnen aus, die das Heizergehäuse üblicherweise durchsetzen und außen an dem Heizergehäuse Steckelemente einer Steckverbindung ausbilden. Eine solche Steckverbindung kann auch zu einer Steuervorrichtung erfolgen, die in baulicher Einheit an der elektrischen Heizvorrichtung verwirklicht ist.
Zur Kompensation des Fehlens eines Positionsrahmens wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, zumindest eine der im Wesentlichen planen Kontaktflächen des PTC-Elementes von einem einteilig durch das PTC-Element oder das Kontaktblech ausgebildeten Vorsprung zu durchsetzen. Bevorzugt ist dieser Vorsprung an dem Kontaktelement ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung sind bevorzugt mehrere Vorsprünge so um das PTC-Element verteilt vorgesehen, dass dessen Lage auf der durch das Kontaktelement definierten Anlagefläche nur bedingt veränderlich ist. Die entsprechenden Vorsprünge können eine angemessene Positionierung eines einzelnen PTC-Elementes im Rahmen der Montage vereinfachen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer PTC-Heizvorrichtung wird ein PTC-Element mit einer eine Kontaktfläche ausbildenden Metallisierung versehen. Unterschiedlicher Polarität zugeordnete Kontaktbleche werden jeweils mit einem der Kontur der Kontaktflächen folgenden Strang eines elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrags versehen. Die Kontaktflächen werden danach an den beiden Kontaktelementen mit diesen elektrisch leitend kontaktiert. Im Rahmen dessen wird der adhäsive Auftrag so verdrängt, dass nach der Herstellung der PTC-Heizvorrichtung beide Kontaktflächen umfänglich durch einen durch den adhäsiven Auftrag gebildeten Rahmen abgedichtet sind. Der Rahmen der erfindungsgemäßen PTC-Heizvorrichtung ist danach Ergebnis einer Verdrängung des adhäsiven Auftrags. Die Querschnittsform bzw. die finale Gestaltung des Rahmens wird üblicherweise durch die Kontur und Oberfläche des PTC-Elementes vorgegeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:

1 eine elektrische Heizvorrichtung;
2 eine Seitenansicht eines Längenabschnitts eines Teils der Schichtung der elektrischen Heizvorrichtung nach 1 und
3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III gemäß der Darstellung in 2

Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung 2 mit einem rahmenförmigen Heizergehäuse 4, in dem ein geschichteter Aufbau 6 unter Klemmung einer nicht dargestellten Feder gehalten ist. Der geschichtete Aufbau 6 umfasst Radiatorlagen 8, die als wesentliches Element Radiatorelemente 10 aufweisen, und PTC-Heizvorrichtungen 12, deren Details in 3 zu erkennen sind.
Die PTC-Heizvorrichtungen 12 haben einander gegenüberliegende Kontaktelemente 14 in Form von Kontaktblechen, die einen Querholm des Heizergehäuses 4 zur Ausbildung von Anschlusszungen 15 überragen. Das mit Bezugszeichen 14.1 gekennzeichnete obere Kontaktelement umgreift umfänglich das Radiatorelement 10. Das obere Kontaktelement 14.1 ist dementsprechend mit dem Radiatorelement 10 zu einer baulichen Einheit gefügt. Zwischen dem unteren Kontaktelement 14.2 und dem oberen Kontaktelement 14.1 ist ein PTC-Element 16 dargestellt.
Mit Bezugszeichen 18 sind zwei Rahmen gekennzeichnet, die zwischen dem jeweiligen Kontaktelement 14.1, 14.2 und dem PTC-Element 16 vorgesehen sind und dieses PTC-Element 16 umfänglich umgeben. Die Rahmen 18 sind aus einem ausgehärteten Silikonkleber gebildet. Der Silikonkleber befestigt das PTC-Element 16 an dem jeweiligen Kontaktelement 14. Durch den Rahmen 18 ist eine durch eine Metallisierung 20 auf den Hauptseitenflächen 22 des PTC-Elementes 16 gebildete Kontaktfläche 24 jeweils gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Wie 2 zu erkennen gibt, ragen von dem Kontaktelement 14 einteilig daran angeformte Vorsprünge 26 ab, die das PTC-Element 16 zur formschlüssigen Positionierung im Rahmen der Montage der beiden Elemente 14, 16 an allen Umfangseiten des PTC-Elements 16 mit wenig Spiel umgeben.
Bezugszeichenliste

2: elektrische Heizvorrichtung
4: Heizergehäuse
6: geschichteter Aufbau
8: Radiatorlage
10: Radiatorelement
12: PTC-Heizvorrichtung
14: Kontaktelement
14.1: oberes Kontaktelement
14.2: unteres Kontaktelement
15: Anschlusszungen
16: PTC-Element
18: Rahmen
20: Metallisierung
22: Hauptseitenfläche
24: Kontaktfläche
26: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1515587 A1 [0003, 0004, 0006, 0009, 0012, 0015]

Claims

PTC-Heizvorrichtung (12) mit zumindest einem PTC-Element (16), das durch eine Metallisierung (20) gebildete Kontaktflächen (24) aufweist, und mit unterschiedlicher Polarität zuzuordnenden Kontaktelementen (14), die mit den Kontaktflächen (24) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kontaktflächen (24) umfänglich durch einen der Kontur der jeweiligen Kontaktfläche (24) folgenden Rahmen (18) aus einem elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrag abgedichtet sind.
PTC-Heizvorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (20) und die Kontaktelemente (14) zumindest aus demselben Basismaterial, bevorzugt stoffidentisch, sind.
PTC-Heizvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (14) aus einem Aluminium-Basis-Material gebildet sind.
PTC-Heizvorrichtung (12) einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (20) aus einem Silber- oder Aluminium-Basismaterial gebildet ist.
PTC-Heizvorrichtung (12) einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine PTC-Element (16) und die Kontaktelemente (14) durch den adhäsiven Auftrag zu einer baulichen Einheit gefügt sind.
Elektrische Heizvorrichtung (2), insbesondere elektrische Heizvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Heizergehäuse (4), das einen geschichteten Aufbau (6) mit zumindest einer PTC-Heizvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und beidseitig daran anliegende Radiatorlagen (8) in sich aufnimmt.
Verfahren zur Herstellung einer PTC-Heizvorrichtung (12), bei dem zumindest ein PTC-Element (16) mit einer Kontaktflächen (24) ausbildenden Metallisierung (20) versehenen wird und unterschiedlicher Polarität zuzuordnende Kontaktelemente (14) jeweils mit einem der Kontur der Kontaktflächen (24) folgenden Strang eines elektrisch nicht leitenden adhäsiven Auftrags versehen werden und bei dem die Kontaktflächen (24) mit den beiden Kontaktelementen (14) elektrisch leitend kontaktiert werden und dabei der adhäsive Auftrag so verdrängt wird, dass beide Kontaktflächen (24) umfänglich durch einen durch den adhäsiven Auftrag gebildeten Rahmen (18) abgedichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Element (16) zur Ausbildung der Kontaktflächen (24) mit einem metallischen Material beschichtet wird, das dem Basismaterial der Kontaktelemente (14) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (14) aus einem Aluminium-Basis-Material hergestellt werden und dass das PTC-Element (16) mit einem Aluminium-Basis-Material beschichtet wird.