DE19838115B4

DE19838115B4 - Elektrische Heizvorrichtung mit selbststeuernden Heiz-Leiterbahnen sowie Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE19838115B4
Application number: DE1998138115
Authority: DE
Inventors: Ingo Dr. Bleckmann
Original assignee: Bleckmann GmbH and Co KG
Current assignee: Bleckmann GmbH and Co KG
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: DE19838115A1

Abstract

Elektrische Heizvorrichtung mit einem Träger (10), auf dem wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial aufgebracht sind,
wobei von den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) zumindest eine einen Zwischenabschnitt (50) aufweist, wobei der zumindest eine Zwischenabschnitt (50) aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, wobei der Zwischenabschnitt (50) durch ein von der Heiz-Leiterbahn (20–34) getrennt eingebrachtes Element gebildet ist, das stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn (20–34) verbunden ist, und
wobei zwischen je zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) jeweils wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn (52) vorgesehen ist, welche die beiden beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) miteinander elektrisch leitend verbindet, und wobei wenigstens eine Verbindungsleiterbahn (52) zumindest abschnittsweise einen Zwischenabschnitt aufweist, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Verbindungs-Leiterbahn (52) und/oder den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen...

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Derartige elektrische Heizvorrichtungen werden in der Praxis beispielsweise als Flächenheizung überall dort eingesetzt, wo bei einer geringen Bauhöhe eine verhältnismäßig große Fläche beheizt werden muß, wie dies zum Beispiel bei Elektroherden oder Wasserkochern der Fall ist. Diese meist flächig ausgebildeten elektrischen Heizvorrichtungen besitzen gegenüber anderen Heizvorrichtung den Vorteil, daß sie nahezu masselos sind. Aufgrund ihrer geringen Masse besteht jedoch die Gefahr, daß sogenannte ”Hot-Spots” aufgrund einer lokalen Überhitzung, wie beispielsweise infolge von Dampfblasen entstehen, welche zum direkten Ausfall der Heizvorrichtung an dieser Stelle führen.
Aus dem prioritätsälteren, aber nachveröffentlichten deutschen Gebrauchsmuster 297 09 116.6 des gleichen Erfinders geht eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art hervor. Bei der darin enthaltenen Lehre bleibt aber offen, wie der Zwischenabschnitt im einzelnen gebildet bzw. hergestellt wird.
Die DE 37 17 574 A1 zeigt eine Einrichtung, zum Beheizen von Flächen, mit mehreren zueinander parallel geschalteten Heizleitern, die über eine Stromquelle mit Strom versorgt werden. Jedem Heizleiter ist ein Widerstandselement mit PTC-Charakteristik in Reihe geschaltet, sodass sich mit der Erwärmung eines solchen PTC-Widerstands im Betrieb dessen ohmscher Widerstand erhöht und dadurch der Stromfluss verringert oder unterbunden wird.
Die US 4,931,627 zeigt eine Flächenheizeinrichtung, bei der zu zwei parallel zueinander verlaufende Stromschienen, die jeweils über entsprechende Anschlüsse mit einer Stromquelle verbunden sind, senkrecht und zwischen diesen verlaufende, parallel zueinander beabstandete und abwechselnd ineinandergreifende Leiterbahnen vorgesehen sind. Jeweils benachbarte Leiterbahnen sind abwechselnd mit der einen Stromschiene und der anderen Stromschiene verbunden, wodurch benachbarte Leiterbahnen im Betrieb jeweils mit unterschiedlichen Anschlüssen der Stromquelle verbunden sind. Die aus einem Silberpolymer bestehenden Stromschienen sowie die ineinandergreifend ausgeführten Leiterbahnen haben keine Heizleiterfunktion, sondern dienen als Elektroden, zwischen die Heizleiterstreifen aus einem Material mit PTC-Charakteristik aufgedruckt sind. Diese Heizleiterstreifen stellen jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den parallel nebeneinanderliegenden Leiterbahnen her und werden mit der zwischen zwei Elektroden anliegenden Spannung von den Stromschienen beaufschlagt, sodass jede einzelne Verbindung ein lokales PTC-Widerstandsheizelement darstellt, dessen Stromfluss aufgrund der PTC-Charakteristik bei steigender Temperatur reduziert oder gänzlich unterbrochen wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung sowie ein Herstellverfahren für eine Heizvorrichtung zu schaffen, bei der gezielt der Bildung von örtlichen Überhitzungen („hot spots”) vorgebeugt werden kann.
Hinsichtlich der elektrischen Heizvorrichtung selbst wird die vorstehende Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 4 gelöst. In den sich an diese Ansprüche anschließenden Unteransprüchen 2, 3 und 5 bis 15 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Durch die Verwendung einer auf einem elektrisch isolierenden Träger aufgebrachten Heiz-Leiterbahn, die zumindest einen Zwischenabschnitt aus einem Material aufweist, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen elektrischen Widerstandswert gegenüber dem Material der übrigen Heiz-Leiterbahn stärker ändert, besteht zunächst die Möglichkeit, ohne weitere zusätzliche, insbesondere externe Sicherungselemente eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung zu vermeiden. Verändert sich beispielsweise der Widerstandswert des zumindest an einem Zwischenabschnitt vorgesehenen Materials in der Weise, das er bei steigender Temperatur der Heiz-Leiterbahn größer wird, so führt dies zu einem geringeren Stromfluß durch diesen Zwischenabschnitt. Tritt z. B. ein ”Hot-Spot” in Stromflußrichtung nach diesem Zwischenabschnitt auf, so wird durch dieses Verhalten des Zwischenabschnitts der Heizleiterbahn ein Durchbrennen der elektrischen Heizvorrichtung vermieden. Besteht annähernd die gesamte Heiz-Leiterbahn aus einem derartigen Material, wobei die stärkere Veränderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit der Temperatur des Materials einer solchen Heiz-Leiterbahn gegenüber dem Material der Anschlüsse, über die die Heiz-Leiterbahn mit einer Energiequelle verbunden ist, erfolgt, so kann das Auftreten von ”Hot-Spots” zur Gänze vermieden werden. Weiterhin wird durch die stoffschlüssige Verbindung des von der Heiz-Leiterbahn getrennt hergestellten Elements mit der Heiz-Leiterbahn eine einfache Herstellung einer derartigen elektrischen Heizvorrichtung erzielt. Das von der Heiz-Leiterbahn getrennt hergestellte Element kann dabei weitestgehend homogen sein.
Die stoffschlüssige Verbindung von dem getrennt von der Heiz-Leiterbahn hergestellten Element mit der Heiz-Leiterbahn kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn diese stoffschlüssige Verbindung durch einen elektrisch leitfähigen Kleber geeigneter Art erfolgt. Ebenso besteht aber auch die Möglichkeit, daß die stoffschlüssige Verbindung durch ein Laser-Schweißverfahren erzielt wird.
Neben der Lösung einer getrennten Herstellung eines Elements, das aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn stärker ändert, besteht auch die Möglichkeit, daß der Zwischenabschnitt zunächst aus dem Material der Heiz-Leiterbahn gebildet wird, in das das in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert ändernde Material in einer seine Funktion sicherstellenden, ausreichend hohen Konzentration eingebracht bzw. dotiert wird. Die Einbringung kann dabei auf verschiedene Art und Weise erfolgen.
Ändert das Material des zumindest einen Zwischenabschnitts der Heiz-Leiterbahn seinen Widerstandswert in der Weise, daß bei Überschreiten einer Grenztemperatur ein Stromfluß durch die Heiz-Leiterbahn vollständig unterbleibt, so kann hierdurch auf einfache Weise eine reversible Abschaltsicherung für die elektrische Heizvorrichtung vorgesehen werden. Sobald sich die Heiz-Leiterbahn bzw. ihre Umgebung auf eine Temperatur abgekühlt hat, bei der der Widerstandswert des Zwischenabschnitts der Heiz-Leiterbahn soweit absinkt, daß wieder ein Stromfluß durch die Heiz-Leiterbahn erfolgen kann, kann die elektrische Heizvorrichtung wieder ihren normalen Betrieb aufnehmen. Es ist hierbei zu bemerken, daß die Veränderung des Widerstandswertes des Materials des zumindest einen Zwischenabschnittes kontinuierlich stark und/oder sich sprunghaft, ggf. in mehreren Sprüngen ändern kann.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß das Material des zumindest einen Zwischenabschnitts seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur um mehr als 10% stärker, bezogen auf die in Abhängigkeit der Temperatur erfolgende Änderung des Widerstandswertes der Heiz-Leiterbahn, ändert. Mit anderen Worten weist der Quotient zwischen der Änderung des Widerstandswertes des für den Zwischenabschnitt vorgesehenen Materials und der Änderung des Widerstandswertes des für die Heiz-Leiterbahn vorgesehenen Materials einen Wert größer als 0,1 auf.
Grundsätzlich kann das seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur verändernde Material des Zwischenabschnitts sowohl eine PTC- als auch eine NTC-Charakteristik besitzen.
Bei einer PTC-Charakteristik wird der Stromfluß durch die Heiz-Leiterbahn mit steigender Temperatur immer geringer, bis bei Überschreiten der Maximaltemperatur des PTC-Materials der Stromfluß ggf. vollständig unterbrochen wird. Hierdurch kann sowohl eine partielle als auch eine vollständige Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung vermieden werden. Tritt beispielsweise bei einer Verwendung der elektrischen Heizvorrichtung eine Temperatur auf, die deutlicher über der Temperatur der übrigen elektrischen Heizvorrichtung liegt, kann infolge der PTC-Charakteristik der Heiz-Leiterbahn eine Überhitzung und damit eine Beschädigung mit der elektrischen Heizvorrichtung versehenen Gerätes und/oder der elektrischen Heizvorrichtung vermieden werden, da die durch die Heiz-Leiterbahn fließende Strommenge abnimmt. Gleiches gilt bei einem vollständigen Überhitzen. Im Gegensatz zu bekannten elektrischen Heizvorrichtungen wird dies ohne zusätzliche Sicherungsbauteile erreicht.
Prinzipiell besteht die elektrische Heizvorrichtung aus wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen, die beispielsweise schneckenförmig oder in hin- und hergehenden Schlaufen auf dem eine zweidimensionale (z. B. ein flächiges Substrat) oder dreidimensionale Ausdehnung (z. B. ein Rohrstück) aufweisenden Träger angeordnet sein kann. Der vorliegende Erfindungsgedanke der Verwendung eines Materials, das seinen elektrischen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur gegenüber den übrigen für die Heiz-Leiterbahn verwendeten Materialien stärker verändert, läßt sich besonders vorteilhaft dort einsetzen, wo die elektrische Heizvorrichtung aus wenigstens zwei zueinander beabstandeten Heiz-Leiterbahnen besteht, wobei nur eine Heiz-Leiterbahn über Anschlüsse mit einer Energiequelle verbunden ist. Durch wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn, die zumindest abschnittsweise einen Zwischenabschnitt aus einem Material aufweist, das seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur gegenüber dem Material der übrigen Verbindungs-Leiterbahn und/oder der Heiz-Leiterbahn(en) stärker ändert, besteht die Möglichkeit, daß eine quasi Stufenabschaltung für die elektrische Heizvorrichtung vorgesehen werden kann. Beispielsweise wird infolge des in Abhängigkeit der Temperatur stark ansteigenden Widerstandswertes der Verbindungs-Leiterbahn die Heiz-Leiterbahn, die nicht über eigene Anschlüsse mit der Energiequelle verbunden ist, zunehmend stromlos bis zum vollständigen Erliegen eines Heizstromes. Lediglich die über Anschlüsse mit der Energiequelle verbundene Heiz-Leiterbahn ist weiterhin stromdurchflossen. Weist diese Heiz-Leiterbahn abschnittsweise Zwischenabschnitte aus dem seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur stärker ändernden Material auf, so würde auch die über die Anschlüsse mit der Energiequelle verbundene Heiz-Leiterbahn bei steigender Temperatur einen zusehends geringeren Stromfluß aufweisen, so daß auch hier die Heizleistung zurückgeht und die elektrische Heizvorrichtung abkühlt.
Die vorstehend im Zusammenhang mit den Eigenschaften des Materials für den Zwischenabschnitt gemachten Ausführungen treffen in gleicher Weise für das Material der Verbindungs-Leiterbahn zu, so daß hierzu eine weitere Erläuterung unterbleiben kann. In diesem Zusammenhang sei jedoch noch bemerkt, daß bei Verwendung eines Materials für die Verbindung-Leiterbahn, welches eine NTC-Charakteristik aufweist, die Möglichkeit besteht, eine sich selbst steuernde elektrische Heizvorrichtung aufzubauen. Tritt beispielsweise in einer Heiz-Leiterbahn eine örtliche Überhitzung auf und ist diese Heiz-Leiterbahn über eine Verbindungs-Leiterbahn mit einer sich daran anschließenden Heiz-Leiterbahn verbunden, so führt diese örtliche Überhitzung dazu, daß im Laufe der Zeit auch die Temperatur der Verbindungs-Leiterbahn mit NTC-Charakteristik steigen wird. Infolge dieser NTC-Charakteristik wird dann der Widerstandswert dieser Verbindungs-Leiterbahn zurückgehen, so daß der durch diese Verbindungs-Leiterbahn hindurchfließende Heizstrom zunimmt. Mit anderen Worten würde hierdurch die die örtliche Überhitzung aufweisende Heiz-Leiterbahn entlastet werden, in dem der Strom vorübergehend in größerem Maße der Heiz-Leiterbahn zugeführt wird, die durch die Verbindungs-Leiterbahn mit NTC-Charakteristik an diese Heiz-Leiterbahn angeschlossen ist. Bei einer entsprechenden Verteilung von Verbindungs-Leiterbahnen mit PTC- und NTC-Charakteristik sowie ggf. einer Ausgestaltung von einigen oder sämtlichen Heiz-Leiterbahnen mit ebensolchen Charakteristiken kann eine ”denkende elektrische Heizvorrichtung” aufgebaut werden, die auf unterschiedliche örtliche Überhitzungen entweder durch Abschalten des Heizstromes (PTC-Charakteristik) und/oder durch Umleiten des Heizstromes (NTC-Charakteristik) reagieren kann.
Prinzipiell können zwischen zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen auch mehrere Verbindungs-Leiterbahnen angeordnet sein, die entweder sämtlich oder aber vereinzelt aus einem seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur stark ändernden Material bestehen können. Darüber hinaus können diese Verbindungs-Leiterbahnen in einem gleichmäßigen Abstand zwischen diesen beiden Heiz-Leiterbahnen oder aber in einem ungleichmäßigen Abstand angeordnet werden. Letzteres ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund von Versuchen und/oder Erfahrungen aus der Produktion festgestellt wird, daß die Heiz-Leiterbahn(en) an einer oder mehreren Stellen zur Bildung von ”Hot-Spots” oder örtlichen Überhitzungen neigen. In einem solchen Fall können dann dort gezielt eine oder zwei Verbindungs-Leiterbahnen aus einem seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur gegenüber den übrigen Heiz-Leiterbahnen stärker ändernden Material angeordnet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch eine entsprechende Materialauswahl und/oder Formgebung für die Verbindungs-Leiterbahn zu erreichen, daß die zwischen zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen vorgesehenen Verbindungs-Leiterbahnen eine unterschiedliche Änderung ihrer Widerstandswerte in Abhängigkeit der Temperatur aufweisen. Gleiches gilt auch für die Zwischenabschnitte.
Die vorstehend genannten Gedanken lassen sich ohne weiteres auf eine elektrische Heizvorrichtung mit mehr als zwei zueinander beabstandeten Heiz-Leiterbahnen übertragen. Wird hierbei eine solcher Aufbau gewählt, daß von der Heiz-Leiterbahn, die am weitesten von der mit den Anschlüssen für die elektrische Energiequelle versehenen Heiz-Leiterbahnen entfernt liegt, zu der zuletzt genannten Heizleiterbahn die Eigenschaften der Verbindungs-Leiterbahnen in der Weise gewählt werden, daß mit steigender Temperatur die entfernteste Heiz-Leiterbahn zunehmend mit weniger Strom versorgt wird, so besteht die Möglichkeit, daß die elektrische Heizvorrichtung automatisch eine mit wachsender Temperatur reagierende Stufenabschaltung erhält.
Es ist noch zu bemerken, daß die Heiz-Leiterbahnen beabstandet aber beispielsweise konvergierend oder divergierend zueinander verlaufen können. Bevorzugt wird jedoch eine Anordnung der Heiz-Leiterbahnen in einer parallelen Anordnung.
Für den Werkstoff der ”übrigen”, d. h. außerhalb des Bereichs der Zwischenabschnitte liegenden Teile der Heiz-Leiterbahn kann jedes denkbare elektrische Widerstands-Heizmaterial vorgesehen werden.
Es ist zu bemerken, daß die Formulierung ”Material mit einem sich in Abhängigkeit der Temperatur stark ändernden elektrischen Widerstandswert” bedeutet, daß es nur darauf ankommt, daß dieses Material, welches für die Zwischenabschnitte und/oder die Verbindungs-Leiterbahnen verwendet wird, ein anderes Verhalten zeigt, als das der übrigen Heiz-Leiterbahn.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 16 oder 22 gelöst. In den sich daran anschließenden Ansprüchen 17 bis 21 und 23 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen diese Verfahren.
Grundsätzlich treffen auf das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile zu, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit der elektrischen Heizvorrichtung geschildert worden sind. Darüber hinaus ist aber noch zu bemerken, daß durch die getrennte Herstellung der Heiz-Leiterbahn und des Elements des Zwischenabschnitts auf einfache Weise die Möglichkeit besteht, viele Träger mit bereits darauf aufgebrachten Heiz-Leiterbahnen herzustellen, und anschließend je nach den gewünschten Erfordernissen in die vorhandenen Lücken entweder eine Reihe von Zwischenabschnitten einzubringen oder aber einfache, die Heiz-Leiterbahn elektrisch miteinander verbindende Elemente einzusetzen. Hierdurch können unterschiedliche Heizvorrichtung für die verschiedensten Zwecke erzielt werden.
Weiterhin kann durch das in einem ersten Fertigungsschritt erfolgende Herstellen des Trägers mit den Heiz-Leiterbahnen und der oder den Lücken für das oder die Elemente des Zwischenabschnitts eine einfache Anpassung auf die von einem Kunden gewünschten Leistungskriterien der Heizvorrichtung realisiert werden.
Grundsätzlich kann die Herstellung der Lücke auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Durch das nachträgliche Entfernen des Materials der Heiz-Leiterbahn für die Lücke kann der bereits im vorstehenden Absatz angesprochene Vorteil auf einfache Weise realisiert werden. Dieses Entfernen kann durch die unterschiedlichsten Maßnahmen realisiert werden, wie beispielsweise durch Erodieren oder Ätzen.
Das Dotieren der Heiz-Leiterbahn an dem Ort des Zwischenabschnitts kann auf jede Art und Weise erfolgen, die hierfür denkbar ist. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, daß beim Aufbringen der Heiz-Leiterbahn auf den Träger die hierfür verwendete Temperatur dazu benutzt wird, Materialpartikel des seinen Widerstandswert gegenüber dem Material der Heiz-Leiterbahn stärker ändernden Materials in die Heiz-Leiterbahn eingebracht wird. Hierdurch bedarf es nur eines einzigen Arbeitsschrittes um eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung herzustellen. Es ist noch in diesem Zusammenhang zu bemerken, daß die Heiz-Leiterbahn bei dem Aufbringen auf den elektrisch isolierenden Träger einen Zustand annehmen kann, in dem sie fließfähig, insbesondere zähflüssig bzw. flüssig ist. Dies kann durch Erwärmen auf eine Temperatur erfolgen, bei der das Material der Heiz-Leiterbahn diesen Zustand annimmt. Dann können die vorstehend erwähnten Materialpartikel des Materials, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert stärker ändert als das Material der Heiz-Leiterbahn eingebracht werden. Dieser Gedanke kann selbstverständlich auch völlig unabhängig von den anderen vorstehend skizzierten und nachstehend noch diskutierten Erfindungsideen der vorliegenden Anmeldung verwendet werden.
Nachstehend werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Zeichnungsfigur erläutert.
In der Figur ist eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung in einer Ansicht von oben dargestellt. Die elektrische Heizvorrichtung besteht aus einem flächigen, elektrisch isolierenden Substrat 10, auf dem mehrere, insgesamt acht Heiz-Leiterbahnen 20 bis 34 aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial flächig angeordnet sind. Die Heiz-Leiterbahnen 20 bis 34 sind im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und mit einem solchen Abstand zueinander angeordnet, daß eine Hochspannungsfestigkeit gegeben ist.
Die, bezogen auf die Figur, unterste Heiz-Leiterbahn 20 ist mit zwei Anschlüssen 40, 42 versehen, über die eine Verbindung zu einer nicht weiter dargestellten Energiequelle herstellbar ist. Die Anschlüsse 40, 42 können auf bekannte Weise hergestellt werden.
Wie weiterhin aus der Figur hervorgeht, sind zwischen jeweils zwei Heiz-Leiterbahnen 20 bis 34 Verbindungs-Leiterbahnen 52 vorgesehen. Die Anzahl der Verbindungs-Leiterbahnen 52 sowie deren geometrischen Abmessungen und das für sie verwendete Material kann von Verbindungs-Leiterbahn 52 zu Verbindungs-Leiterbahn 52 unterschiedlich oder gleich sein.
So ist beispielsweise zwischen der, bezogen auf die Figur, obersten Heiz-Leiterbahn 34 und der sich unmittelbar daran anschließenden Heiz-Leiterbahn 32 insgesamt vier Verbindungs-Leiterbahnen 52 mit unterschiedlicher Breite vorgesehen. Der Abstand dieser Verbindungs-Leiterbahnen 52 ist aber gleich.
Zwischen der Heiz-Leiterbahn 32 und der Heiz-Leiterbahn 30 ist nur eine einzige Verbindungs-Leiterbahn 52 vorgesehen. Dies gilt ebenfalls für die Heiz-Leiterbahn 26 und die Heiz-Leiterbahn 24, wobei jedoch im Unterschied zu dem vorstehend genannten Fall, die Verbindungs-Leiterbahn 52 eine weitaus größere Erstreckung besitzt.
Wie ebenfalls aus der Figur hervorgeht, ist, bezogen auf die Figur, die oberste Heiz-Leiterbahn 34 mit mehreren Zwischenabschnitten 50 versehen, die ebenfalls, wie die Verbindungs-Leiterbahnen 52 aus einem Material bestehen, welches seinen elektrischen Widerstandswert gegenüber dem übrigen Material der Heiz-Leiterbahn 34 in Abhängigkeit der Temperatur stärker ändert.
Beim Betrieb dieser erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung erfolgt ein Stromfluß über die Anschlüsse 40, 42 zu der, bezogen auf die Figur, untersten Heiz-Leiterbahn 20. Über die zwischen dieser Heiz-Leiterbahn 20 und der nachfolgenden Heiz-Leiterbahn 22 angeordneten Verbindungs-Leiterbahnen 52 erfolgt ebenfalls ein Stromfluß zu der zuletzt genannten Heiz-Leiterbahn 22. Über die weiteren Verbindungs-Leiterbahnen 52 zwischen den übrigen Heiz-Leiterbahnen 24 bis 34 erfolgt der Stromfluß auch zu der, bezogen auf die Figur, obersten Heiz-Leiterbahn 34.
Tritt nun während des Betriebes eine Überhitzung beispielsweise bei der, bezogen auf die Figur, obersten Heizleiterbahn 34 infolge eines ”Hot-Spots” auf, so steigt die Temperatur in diesem Bereich an. Es wird für die vorliegenden Ausführungen angenommen, daß dieser Bereich in der rechten oberen Ecke des Substrates 10 liegt. Infolge der Eigenschaft des Materials der Zwischenabschnitte 52 würde dieser Heiz-Leiterbahn 34 zunehmend stromlos werden, bis eine völlige Stromlosigkeit erreicht ist. Mit anderen Worten ist diese Heiz-Leiterbahn 34 abgeschaltet. Wird weiterhin angenommen, daß dennoch die Temperatur weiter ansteigt bzw. sich der Bereich mit erhöhter Temperatur weiter ausdehnt, so würde infolge der zwischen der Heiz-Leiterbahn 32 und der Heiz-Leiterbahn 30 angeordneten Verbindungs-Leiterbahn 52 ebenfalls eine zunehmende Stromlosigkeit in der Heiz-Leiterbahn 32 auftreten. Bei weiterem Anstieg der Temperatur der elektrischen Heizvorrichtung und weiterer Ausdehnung des eine erhöhte Temperatur aufweisenden Bereiches der elektrischen Heizvorrichtung wird nacheinander die Heiz-Leiterbahn 28, 26, 24, 22 bis hin zu der, bezogen auf die Figur, untersten Heiz-Leiterbahn 20 stromlos und damit abgeschaltet werden.
Sämtliche Verbindungs-Leiterbahnen 52 sind bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Material gefertigt, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit der Temperatur stark ändert. Insbesondere sind sie aus einem PTC-Material wie beispielsweise dotiertes Bariumtitanat hergestellt.
Die Herstellung der elektrischen Heizvorrichtung wird nachstehend erläutert:
Zunächst wird ein Träger gefertigt, auf den die Heiz-Leiterbahn(en) aufgebracht wird bzw. werden. Dies kann durch jede bekannte Techniken erfolgen. Anschließend wird an denjenigen Stellen, an denen das Einbringen eines Elements für den Zwischenabschnitt vorgesehen ist, das Material der Heiz-Leiterbahn wieder entfernt. Es ist in diesem Zusammenhang zu bemerken, daß selbstverständlich auch die Möglichkeit besteht, bereits bei dem Aufbringen der Heiz-Leiterbahnen solche Lücken vorsehen zu können. Das Entfernen des Materials der Heiz-Leiterbahn kann beispielsweise durch einen Erodier- und/oder Ätzvorgang erfolgen. Anschließend wird das Element des Zwischenabschnitts eingebracht und stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung kann durch einen elektrisch leitfähigen Kleber zwischen dem Element des Zwischenabschnitts und den beiden freien Enden der Heiz-Leiterbahn erfolgen. Ebenso besteht die Möglichkeit, an diesen Stellen einen Laser-Schweißvorgang einzusetzen, um das Element des Zwischenabschnitts mit den Enden der Heiz-Leiterbahn zu verbinden.
Alternativ zu dem vorstehend geschilderten Herstellverfahren kann ebenfalls beim Aufbringen der Heiz-Leiterbahn an denjenigen Stellen, wo ein Zwischenabschnitt oder eine Verbindungs-Leiterbahn vorzusehen ist, das Material der Heiz-Leiterbahn mit dem Material, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn stärker verändert, in einer seine Funktion sicherstellenden, ausreichend hohen Konzentration eingebracht bzw. das Material der Heiz-Leiterbahn mit diesem Material dotiert werden. Beispielsweise kann dies dadurch geschehen, daß beim Aufbringen der Heiz-Leiterbahn auf den Träger die hierfür verwendete Temperatur dazu benutzt wird, Materialpartikel des seinen Widerstandswert gegenüber dem Material der Heiz-Leiterbahn stärker ändernden Materials in die Heiz-Leiterbahn eingebracht wird. Hierdurch bedarf es nur eines einzigen Arbeitsschrittes um eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung herzustellen.

Claims

Elektrische Heizvorrichtung mit einem Träger (10), auf dem wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial aufgebracht sind, wobei von den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) zumindest eine einen Zwischenabschnitt (50) aufweist, wobei der zumindest eine Zwischenabschnitt (50) aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, wobei der Zwischenabschnitt (50) durch ein von der Heiz-Leiterbahn (20–34) getrennt eingebrachtes Element gebildet ist, das stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn (20–34) verbunden ist, und wobei zwischen je zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) jeweils wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn (52) vorgesehen ist, welche die beiden beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) miteinander elektrisch leitend verbindet, und wobei wenigstens eine Verbindungsleiterbahn (52) zumindest abschnittsweise einen Zwischenabschnitt aufweist, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Verbindungs-Leiterbahn (52) und/oder den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) stärker verändert.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element des Zwischenabschnitts (50) mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn (20–34) verbunden ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Element des Zwischenabschnitts (50) mittels eines Laser-Schweißverfahrens stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn (20–34) verbunden ist.
Elektrische Heizvorrichtung mit einem Träger (10), auf dem wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial aufgebracht sind, wobei von den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) zumindest eine einen Zwischenabschnitt (50) aufweist, wobei der zumindest eine Zwischenabschnitt (50) aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, wobei der Zwischenabschnitt (50) aus dem Material der Heiz-Leiterbahn (20–34) gebildet ist, in das das Material, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, in einer seine Funktion sicherstellenden, ausreichend hohen Konzentration eingebracht ist, und wobei zwischen je zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) jeweils wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn (52) vorgesehen ist, welche die beiden beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) miteinander elektrisch leitend verbindet, und wobei wenigstens eine Verbindungsleiterbahn (52) zumindest abschnittsweise einen Zwischenabschnitt aufweist, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Verbindungs-Leiterbahn (52) und/oder den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) stärker verändert.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zumindest einen Zwischenabschnitts (50) seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur sprunghaft ändert.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zumindest einen Zwischenabschnitts (50) seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur in der Weise ändert, dass bei Überschreiten einer Grenztemperatur ein Stromfluss durch die Heiz-Leiterbahn (20–34) vollständig unterbleibt.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zumindest einen Zwischenabschnitts (50) seinen Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur um mehr als 10% stärker, bezogen auf die in Abhängigkeit der Temperatur erfolgende Änderung des Widerstandswertes der Heiz-Leiterbahn (20–34), ändert.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Zwischenabschnitt (50) vorgesehene Material eine PTC-Charakteristik aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Zwischenabschnitt vorgesehene Material eine NTC-Charakteristik aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei, insbesondere mehreren, beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) mehrere beabstandet zueinander angeordnete Verbindungs-Leiterbahnen (52) mit jeweils wenigstens einem Zwischenabschnitt (50) vorgesehen sind, die in einem ungleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) mehrere beabstandet zueinander angeordnete Verbindungs-Leiterbahnen (52) mit jeweils wenigstens einem Zwischenabschnitt (50) vorgesehen sind, die in einem gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnet sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs-Leiterbahnen (52) mit jeweils wenigstens einem Zwischenabschnitt (50) von aufeinanderfolgenden Heiz-Leiterbahnen (20–34) eine solche Konfiguration besitzen, dass sich ihr Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur ungleichmäßig ändert.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs-Leiterbahnen (52) mit jeweils wenigstens einem Zwischenabschnitt (50) zwischen zwei aufeinanderfolgenden, beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) eine Konfiguration aufweisen, dass sich ihr Widerstandswert in Abhängigkeit der Temperatur in einer anderen Weise ändert als bei den Verbindungs-Leiterbahnen (52) zwischen den beiden nachfolgenden und/oder den beiden vorausgehenden Heiz-Leiterbahnen (20–34).
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konfiguration der Verbindungs-Leiterbahnen (52) mit jeweils wenigstens einem Zwischenabschnitt (50) von Heiz-Leiterbahnpaar zu Heiz-Leiterbahnpaar in der Weise ändert, dass die Verbindungs-Leiterbahnen (52) von dem Heiz-Leiterbahnpaar (32, 34), welches am weitesten von der mit den Anschlüssen (40, 42) für die Energieversorgung versehenen Heiz-Leiterbahn (20) entfernt angeordnet ist, zu den Verbindungsbahnen (52) des mit den Anschlüssen (40, 42) für die Energieversorgung verbundenen Heiz-Leiterbahnpaares bei gleicher Temperatur stufenweise kleinere Widerstandswerte besitzen, sodass die entfernteste Heiz-Leiterbahn (34) als erste nur noch einen geringen oder keinen Stromfluss aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere einer elektrischen Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 15 in Rückbezug auf einen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem auf einen Träger wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20, 22; 24, 26; 28, 30; 32, 34) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial aufgebracht werden, von denen wenigstens eine zumindest einen Zwischenabschnitt (50) aufweist, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, bei dem zunächst die wenigstens eine der wenigstens zwei (20–34) Heiz-Leiterbahnen (20–34) unter Ausbildung wenigstens einer Lücke für den Zwischenabschnitt (50) auf dem Träger aufgebracht werden und für den Zwischenabschnitt (50) ein Material, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, in die wenigstens eine Lücke eingebracht wird, und bei dem zwischen je zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) jeweils wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn (52) aufgebracht wird, welche die beiden beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) miteinander elektrisch leitend verbindet, wobei in wenigstens einer Verbindungsleiterbahn (52) zumindest abschnittsweise ein Zwischenabschnitt vorgesehen wird, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Verbindungs-Leiterbahn (52) und/oder den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) stärker verändert.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Zwischenabschnitt vorgesehene Lücke durch Entfernen eines Teils der Heiz-Leiterbahn hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Zwischenabschnitt vorgesehene Lücke durch einen Erodierungs- und/oder Ätzvorgang hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt durch ein von der Heiz-Leiterbahn getrennt hergestelltes Element gebildet wird, das in die Lücke der Heiz-Leiterbahn eingebracht wird und mit dieser stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Element des Zwischenabschnitts mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Element des Zwischenabschnitts mittels eines Laser-Schweißverfahrens stoffschlüssig mit der Heiz-Leiterbahn verbunden wird.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere einer elektrischen Heizvorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 15 in Rückbezug auf Anspruch4, bei dem auf einen Träger wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20, 22; 24, 26; 28, 30; 32, 34) aus einem elektrisch leitfähigen Widerstands-Heizmaterial aufgebracht werden, von denen wenigstens eine zumindest einen Zwischenabschnitt (50) aufweist, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn (20–34) stärker verändert, wobei der Zwischenabschnitt aus dem Material der Heiz-Leiterbahn gebildet wird, in das das Material, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Heiz-Leiterbahn stärker verändert, in einer seine Funktion sicherstellenden, ausreichend hohen Konzentration dotiert wird, und bei dem zwischen je zwei beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) jeweils wenigstens eine Verbindungs-Leiterbahn (52) aufgebracht wird, welche die beiden beabstandet zueinander angeordneten Heiz-Leiterbahnen (20–34) miteinander elektrisch leitend verbindet, wobei in wenigstens einer Verbindungsleiterbahn (52) zumindest abschnittsweise einen Zwischenabschnitt vorgesehen wird, der aus einem Material besteht, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber der übrigen Verbindungs-Leiterbahn (52) und/oder den wenigstens zwei Heiz-Leiterbahnen (20–34) stärker verändert.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen einer Heiz-Leiterbahn diese so erwärmt wird, dass sie fließfähig, insbesondere flüssig ist, und dass Partikel des Materials, welches in Abhängigkeit der Temperatur seinen Widerstandswert gegenüber dem Material der übrigen Heiz-Leiterbahn stärker verändert, in die so vorbereitete Heiz-Leiterbahn eingebracht wird.