DE19704352A1

DE19704352A1 - Widerstands-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE19704352A1
Application number: DE19704352A
Authority: DE
Inventors: Josef Winter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: BR9705179A; MX9800435A; DE19704352B4; US6084219A

Description

Die Erfindung betrifft eine flächige Widerstands-Heiz vorrichtung mit einzelnen PTC-Elementen als Heizelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Aus EP-0 172 302 B1 ist eine flächige Widerstandsheizvorrichtung bekannt, bei der auf einem flächigen, elektrisch isolierenden Substrat eine Vielzahl von im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Elektroden angeordnet sind, die abwechselnd mit jeweils einer von zwei elektrischen Hauptzuleitungen verbunden sind. Über diesem Elektrodenmuster ist eine flächige Schicht aus PTC-Material aufgebracht, die wiederum von einer Klebeschicht überdeckt ist, mittels der sich die PTC-Widerstands-Heizvorrichtung mit einem flächigen Objekt, z. B. einem Spiegel, verbinden läßt. Die PTC-Schicht bildet zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Elektroden Heizzonen aus. Nachteilig bei dieser bekannten Heizvorrichtung ist es, daß durch die flächige Aufbringung des PTC-Materials vergleichsweise viel PTC-Material benötigt wird.

Aus der EP-0 356 087 B1 ist ebenfalls eine flächige PTC-Heizvorrichtung bekannt, die sich von der PTC-Heizvorrichtung nach der EP-0 172 302 B1 vor allem dadurch unterscheidet, daß die PTC-Schicht nicht vollflächig aufgebracht ist, sondern in Form von einzelnen quer zu den Elektroden verlaufenden parallelen Streifen. Dadurch ergibt sich eine Einsparung an PTC-Material und dennoch eine annähernd gleichmäßige Heizleistung pro Flächeneinheit.

Nachteilig bei beiden bekannten PTC-Heizvorrichtungen ist es, daß in der Einschaltphase eine vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme durch vergleichsweise lang andauerende Stromspitzen stattfindet, da sich die PTC-Schicht zunächst vollflächig bzw. die einzelnen Streifenelemente erwärmen müssen bevor aufgrund des positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten die Stromaufnahme reduziert wird. Die elektrischen Hauptzuleitungen zu den Elektroden, die wie die Elektroden selbst üblicherweise aus Silberpaste hergestellt sind, müssen natürlich auf diese hohen Stromspitzen während der Einschaltphase und folglich entsprechend breit ausgelegt werden. Dies hat zum einen einen erhöhten Verbrauch von Silberpaste mit einer entsprechenden Verteuerung der PTC-Heizelemente zur Folge und zum anderen erhöht sich der Flächenanteil des zu beheizenden Objekts in dem keine PTC-Heizelemente vorhanden sind, d. h. in denen nur eine Aufheizung durch den elektrischen Widerstand der Hauptzuleitungen erfolgt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus der EP-0 172 302 B1 bekannte Widerstands-Heizvorrichtung so weiter zu bilden, daß in der Einschaltphase im Vergleich zur herkömmlichen PTC-Heizvorrichtungen eine verringerte Strom- und Leistungsaufnahme möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Durch das Vorsehen einzelner PTC-Heizelemente, die im Bereich zwischen den jeweiligen Elektroden dünner sind als im Kontaktbereich mit den Elektroden, erfolgt in der Einschaltphase eine schnelle Erwärmung in den kleinflächigen bzw. punktförmigen Bereichen zwischen den Elektroden, so daß aufgrund des positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten der einzelnen PTC-Elemente die Stromaufnahme rasch reduziert wird. Aufgrund dieser Reduzierung der maximalen Stromaufnahme, die in der Einschaltphase auftritt, können die Hauptzuleitungen, die z. B. aus Silberpaste bestehen, dünner und damit preiswerter ausgeführt werden. Dünnere Hauptzuleitungen haben jedoch einen höheren Widerstand und damit eine größere Heizleistung der Hauptzuleitungen zur Folge, die nicht mit PTC-Heizelementen versehen sind.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 sind die einzelnen PTC-Elemente meniskusförmig ausgebildet, so daß sich die Breite der PTC-Elemente ausgehend von der Kontaktstelle der einen Elektrode in Richtung zur Mitte zwischen den Elektroden kontinuierlich verjüngt und anschließend zur Kontaktstelle der anderen Elektrode hin wieder kontinuierlich verbreitert. Die obere und untere Begrenzungslinie kann dabei die Form eines Kreisbogens aufweisen, die mit entgegengesetzter Krümmung einander zugewandt sind. Alternativ können die Begrenzungslinien auch eine parabolische Form aufweisen. Die optimale Form der meniskusförmigen PTC-Elemente und insbesondere der Länge und Ausdehnung des dünsten Bereiches zwischen den Elektroden ergibt sich bei gegebener Dauerflächenheizleistung aufgrund einer minimalen Strom- und Leistungsaufnahme in der Einschaltphase.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 werden die einzelnen PTC-Elemente gleichmäßig jedoch statistisch über die Elektrodenanordnung verteilt, so daß sich einerseits eine gleichmäßige Flächenheizleistung ergibt, jedoch die Heizzonen aus durchgehenden Streifen vermieden werden, wie sie bei der PTC-Heizvorrichtung nach der EP-B-0 356 087 auftreten.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 sind die Hauptzuleitungen bei sich in seiner Richtung ändernden Verlauf ohne scharfe Kanten, d. h. abgerundet ausgeführt, wodurch eine weitere Reduzierung der notwendigen Breite der Hauptzuleitungen möglich wird. Es hat sich herausgestellt, daß die Hauptzuleitungen aus Silberpaste sehr anfällig gegen Durchbrennen im Bereich von Knicken sind, falls die im Knickbereich aufeinanderstoßenden Teile der Hauptzuleitung im Knickbereich scharfe Kanten aufweisen. Um diesem Durchbrennen zu begegnen, wurden bisher die Hauptzuleitungen verbreitert, was jedoch zu einem vermehrten Verbrauch von Silberpaste führte. Durch Abrundung der Begrenzungslinien der Hauptzuleitungen im Knickbereich bzw. durch das Vermeiden von jeglichen scharfen Kanten, Spitzen und Ecken im Verlauf der Begrenzungslinien der Hauptzuleitungen im Knickbereich, kann dieses Durchbrennen vermieden werden, ohne daß es notwendig wird, die Hauptzuleitungen zu verbreitern. Dieser Effekt ist vermutlich auf die Vermeidung von Spitzenwirkungen und damit verbundenen hohen elektrischen Feldern in Bereichen von scharfkantigen Knicken zurückzuführen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Detailzeichnung einzelner PTC-Elemente zwischen den Elektroden in unterschiedlichen Formen und

Fig. 3 eine Detaildarstellung einer T-förmigen Hauptzuleitung mit abgerundeten Begrenzungslinien im Knickbereich.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Widerstands-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einem Substrat 2 sind zwei Hauptzuleitungen 4 und 5, in Form von L-förmigen Leiterbahnen aufgebracht, die jeweils einen ersten Schenkel 6 und 7 sowie einen zweiten Schenkel 8 und 9 aufweisen. Die beiden ersten Schenkel 6 und 7 der beiden L-förmigen Hauptzuleitungen 4 und 5 erstrecken sich von einem mittleren linken Randbereich des Substrats 2 ausgehend von einem Paar von elektrischen Anschlüssen 10 und 11 in entgegengesetzte Richtung senkrecht nach oben bzw. unten und gehen in einem Knickbereich 12 in den zweiten Schenkel 8 bzw. 9 über. Die beiden zweiten Schenkel 8 und 9 erstrecken sich am jeweilig oberen bzw. unteren Rand des Substrats 2 zu einem freien Ende 14 bzw. 15 am linken Rand des Substrats 2 hin. Die beiden zweiten Schenkel 8 und 9 sind zum freien Ende 14, 15 hin verjüngend ausgebildet, da Bereiche der zweiten Schenkel 8, 9 näher am jeweiligen freien Ende 14, 15 die Stromzufuhr für weniger Elektroden 16-i bzw 17-i bewerkstelligen müssen als Bereiche näher am Knick 12. Zwischen den U-förmig angeordneten beiden L-förmigen Hauptzuleitungen 4 und 5 erstrecken sich eine Vielzahl der Elektroden 16-i und 17-i zwischen den beiden zweiten Schenkeln 8 und 9. Hierbei sind die ersten Elektroden 16-i jeweils mit der ersten Hauptzuleitung 4 und die zweiten Elektroden 17-i mit der zweiten Hauptzuleitung 5 verbunden. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten Elektroden 16-i und 17-i sind jeweils eine Vielzahl von meniskusförmigen PTC-Elementen 20, 20-i angeordnet, die zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Elektroden 16-i und 17-i Heizzonen bilden.

In Fig. 2 ist ein Teilbereich der parallel verlaufenden Elektroden 16-i und 17-i mit den dazwischen befindlichen PTC-Elementen 20-i vergrößert gezeichnet. Dabei sind beispielhaft unterschiedliche Formen für die PTC-Elemente 20-i dargestellt. Bei den PTC-Elementen 20-1 und 20-2 sind die Begrenzungslinien zwischen den Elektroden 16-i und 17-i kreisbögenförmig, bei den PTC-Elementen 20-3 und 20-4 sind die Begrenzungslinien paraboloid und bei den PTC-Elementen 20-5 und 20-6 sind die Begrenzungslinien trapezförmig, d. h. mit einem Bereich konstanter Dicke in der Mitte zwischen den Elektroden 16-i und 17-i.

Wird nun die erfindungsgemäße Heizvorrichtung eingeschaltet, in dem die Anschlüsse 10 und 11 mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden, fließt kurzzeitig ein vergleichsweise hoher Strom, da die PTC-Elemente 20-i noch kalt sind. Durch diesen hohen Strom werden die dünnen Bereiche der PTC-Elemente 20-i zwischen den Elektroden 16-i und 17-i nahezu augenblicklich erhitzt, so daß der Widerstand der PTC-Elemente 20-i ansteigt und die Stromaufnahme absinkt. Durch die dünneren Abschnitte der PTC-Elemente 20-i erfolgt eine sehr schnelle Erwärmung der PTC-Elemente 20-i in diesem Bereich, was aufgrund des positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten eine Widerstandserhöhung in diesem Bereich und damit des gesamten PTC-Elements 20-i zur folge hat. Die maximale Stromaufnahme in der Einschaltphase ist daher bei der erfindungsgemäßen Widerstands-Heizvorrichtung in ihrer Höhe verringert und zusätzlich zeitlich verkürzt.

Die gesamte Heizvorrichtung insbesondere die Hauptzuleitungen 4 und 5 müssen so ausgelegt sein, daß die maximal auftretende Stromstärke nicht zu einem Durchbrennen der Zuleitungen führt, d. h. die Hauptzuleitungen und insbesondere deren ersten Schenkel 6 bzw. 7 müssen genügend breit ausgeführt sein. Versuche haben gezeigt, daß Hauptzuleitungen mit einem ersten Schenkel 6 bzw. 7 mit einer bestimmten Breite bei einer bestimmten Stromstärke durchbrennen, wenn die Begrenzungslinien der Hauptzuleitungen 4 bzw. 5 im Knickbereich 12 scharfe Kanten oder Ecken aufweisen. Dies ist vermutlich auf elektrische Felder aufgrund von Spitzenwirkungen an diesen Kanten und Ecken zurückzuführen. Rundet man dagegen die Begrenzungslinien der Hauptzuleitungen 4 und 5 im Knickbereich 12 ab, so daß keine scharfe Kanten und Ecken mehr vorliegen, brennen die Hauptzuleitungen im Knickbereich bei gleicher Stromstärke nicht mehr durch. D.h. auch die Abrundung der Hauptzuleitungen im Knickbereich macht es möglich dünnere Hauptzuleitungen zu verwenden, was einerseits Materialeinsparung und andererseits geringere unzureichend geheizte Flächen zur Folge hat.

In Fig. 3 ist hierzu beispielhaft eine T-förmige Hauptzuleitung 22 mit einem ersten Schenkel 24 und einem zweiten und einem dritten davon abzweigenden Schenkel 25 und 26 dargestellt. Im Knick- bzw. Abzweigebereich 12 sind die inneren Knicke 28 und 29 links und rechts am oberen Ende des ersten Schenkels 24 gerundet. Die gegenüberliegende Begrenzungslinie der zugehörigen zweiten und dritten Schenkel 25 und 26 ist ebenfalls gerundet - siehe Bereiche 30 und 31 - was im Vergleich zu einer geradlinigen Führung der oberen Begrenzungslinien der zweiten und dritten Schenkel 24 und 25 zu einer Materialeinsparung führt. Das an sich spitzwinklige Zusammentreffen der Rundungen 30 und 31 - siehe punktierte Linien - wird vermieden, in dem die eine Rundung 30 S-förmig in die andere Rundung 31 übergeht - siehe Bereich 32. Die scharfen Ecken im unteren Bereich des ersten Schenkels 24, d. h. im Bereich des elektrischen Anschluß 10 sind unkritisch, da in diesem Bereich kein Strom fließt.

Hinsichtlich des sonstigen Aufbaus der Heizvorrichtung, insbesondere verwendete Materialien, Dimensionierungen, Schutzfolien etc. wird auf die bekannten Heizvorrichtungen gemäß EP-0 172 302 B1 und EP-0 356 087 B1 verwiesen.

Bezugszeichenliste

2

Substrat

4

obere Hauptzuleitung

5

untere Hauptzuleitung

6

erster Schenkel von

4

7

erster Schenkel von

5

8

zweiter Schenkel von

4

9

zweiter Schenkel von

6

10

elektrischer Anschluß von

4

11

elektrischer Anschluß von

5

12

Knick- bzw. Abzweigebereich

14

freies Ende von

4

14

' freies Ende von

22

15

freies Ende von

5

16

-i mit

4

verbundene Elektroden

17

-i mit

5

verbundene Elektroden

20

,

20

-i PTC-Elemente

22

T-förmige Hauptzuleitung

24

erster Schenkel

25

zweiter Schenkel

26

dritter Schenkel

28

Knick rechts

29

Knick links

30

28

gegenüberliegende Rundung

31

29

gegenüberliegende Rundung

32

Rundung am Übergang von

30

und

31

.

Claims

1. Widerstands-Heizvorrichtung, mit
einem flächigen, elektrisch isolierenden Substrat (2),
wenigstens einem Elektrodenpaar (16-i, 17-i), das auf einer Oberfläche des Substrats (2) angeordnet ist,
einer Heizungsschicht (20) aus einem Material mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten, und
einer flächig über dem Substrat (2) und der Heizungsschicht (20) angeordneten Klebeschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heizungsschicht (20) aus einer Vielzahl von einzelnen, flächigen PTC-Elementen (20-i) besteht, die sich zwischen den wenigstens zwei Elektroden (16-i, 17-i) erstrecken und deren Breite in Richtung parallel zum Substrat (2) zwischen den Elektroden (16-i, 17-i) kleiner als im Kontaktbereich der Elektroden (16-i, 17-i) ist.

2. Widerstands-Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen PTC-Elemente (20-i) meniskusförmig sind.

3. Widerstands-Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenanordnung (16, 17) mit einer Vielzahl von im wesentlich parallel zueinander verlaufenden Elektroden (16-i, 17-i) vorgesehen ist, und daß die einzelnen PTC-Elemente (20-i) statistisch über die Elektrodenanordnung derart verteilt sind, daß sich eine konstante Flächenheizleistung ergibt.

4. Widerstands-Heizvorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Elektrodenanordnung (16, 18) mit einer Vielzahl von im wesentlich parallel zueinander verlaufenden Elektroden (16-i, 17-i) vorgesehen ist,
daß die einzelnen Elektroden (16-i, 17-i) jeweils mit einer von zwei Hauptzuleitungen (4, 5) verbunden sind, die sich jeweils von einem elektrischen Anschluß eines Paares von elektrischen Anschlüssen (10, 11) zu wenigstens einem freien Ende (14, 15) hin erstrecken, und
daß die beiden Hauptzuleitungen (4, 5; 22) zwischen dem jeweiligen elektrischen Anschluß (10, 11) und dem wenigstens einen freien Ende (14, 15; 14, 14') kein scharfen Kanten aufweist.