DE19860322B4

DE19860322B4 - Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element entstehender Wärme

Info

Publication number: DE19860322B4
Application number: DE19860322A
Authority: DE
Inventors: Hidenori Gotenba Yamanashi
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: US6313996B1; GB2332778A; DE19860322A1; GB9828568D0; JPH11186003A; GB2332778B

Abstract

Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element (1; 20) entstehenden Wärme, bei welcher
das PTC-Element (1; 20), das eine elastische Umhüllung (4) aufweist, zwischen gegenüberliegenden Wärmesenken (5) angeordnet ist;
der Abstand zwischen den Wärmesenken (5) festgelegt ist; und;
das PTC-Element (1; 20) einen wärmeleitenden Polymerkörper (20a) aufweist, der sich bei Wärmeeinwirkung ausdehnt und damit den thermischen Kontakt des PTC-Elements (1; 20) zu den Wärmesenken (5) verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element entstehender Wärme.
Bei einem PTC-Element handelt es sich hierbei um ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten. Beispielsweise kann es sich bei einem PTC-Element um einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient handeln.

PTC-Elemente werden z. B. bei elektrischen oder elektronischen Steuerungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt.

PTC-Elemente entwickeln im Betrieb Joule'sche Wärme, die nach außen abgeführt werden muss, um bei längerem Betrieb eine störende Erwärmung des PTC-Elements zu verhindern.

Hierzu ist es aus der JP 62-163 902 U bekannt, ein PTC-Element zwischen zwei Platten als Wärmesenken anzuordnen, welche die vom PTC-Element ausgehende Wärme aufnehmen und an die Umgebung abgeben.

Aus der DE 42 21 309 A1 ist ein PTC-Element bekannt, das ein elektrisch leitfähiges, thermoplastisches Polymer mit Ruß als leitfähigem Füllstoff enthält.

Aus der DE 38 36 002 A1 ist es bekannt, eine gekapselte Halbleitereinrichtung auf einer Grundplatte zu montieren und dabei eine weiche verformbare Zwischenschicht beispielsweise aus einem Silikonmaterial vorzusehen.

In der DE 94 13 550 U1 ist ein Halbleiterelement beschrieben, das mittels einer Vergussmasse gekapselt ist, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand aufweist.

Die DE 30 32 744 A1 offenbart einen Transistor, welcher auf einer oberen Fläche eines Substrats angeordnet ist. Dessen untere Fläche ist mit einem wärmempfangenden Körper aus Aluminium verbunden. Das Substrat besteht aus wärmeleitendem, aber elektrisch isolierendem Material und umfasst eine wärmeleitfähige Metallplatte und einen darauf gebildeten Polymerfilm.

Die DE 34 46 047 C2 wie auch die DE 43 39 786 A1 offenbaren im Prinzip ähnliche Wärmeübertragungsanordnungen.

Die DE 195 49 354 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden einer Leiterplatte mit wenigstens einer Metallplatte mittels eines druckempfindlichen Klebers, der eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit bildet.

Einrichtungen zum Abführen von Wärme von elektrischen Bauelementen und Schaltungsanordnungen sind auch bekannt aus JP 4-078 104 B2 , JP 61-234 502 A und JP 2-041 161 A .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element entstehender Wärme zu schaffen, bei welcher eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr in konstruktiv einfacher und raumsparender Weise erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung sowie hierfür vorzugsweise in Betracht kommende Ausführungsformen von PTC-Elementen sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
1 eine Ausführungsform eines PTC-Elements für eine erfindungsgemäße Anordnung in perspektivischer Darstellung;
2A eine weitere Ausführungsform eines PTC-Elements für eine erfindungsgemäße Anordnung in perspektivischer Darstellung;
2B Teile des Gegenstandes von 2A im Schnitt; und
3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in perspektivischer Darstellung.
In der nachfolgenden Beschreibung dieser Gegenstände bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder annährend gleiche Komponenten.
Während 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines PTC-Elements 1 mit einem PTC-Körper 2, Anschluss-Elektroden 3 und einer Umhüllung 4 zeigt, umfasst das PTC-Element 20 gemäß 2A und 2B eine linke Elektrode 21 und eine rechte Elektrode 22, die an der linken bzw. rechten Fläche des PTC-Element 20 vorhanden sind.
Das PTC-Element 20 umfasst einen Körper 20a, der im wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds aufweist, eine aus einer sich bei Wärmeeinwirkung ausdehnenden bzw. zusammenziehenden, wärmeleitenden und klebefähigen Verbindung aus einem Polymer oder mehreren Polymeren und einem oder mehreren Zusatzstoffen zur Erzielung der Klebewirkung, und ein System aus elektrisch leitfähigen Widerstandsgeweben oder Widerstandsteilchen 20b, die in dem Körper 20a suspendiert sind. Dieser wird nachstehend als leitfähige Polymerverbindung bezeichnet. Das PTC-Element mit seinem positiven Temperaturkoeffizienten erzeugt beim Hindurchleiten von Gleichstrom Wärme.
Die linke und rechte Elektrode 21 bzw. 22 umfassen: Eine linke bzw. rechte, wärmeleitende Metallelektrodenplatte 21a bzw. 22a, die durch Klebekräfte, welche auf die gesamten Bereiche ihrer Innenoberfläche wirken, mit der linken bzw. rechten Seite des PTC-Elements 20 verbunden sind (genauer gesagt mit der leitfähigen Polymerverbindung 20a); sowie Leiter (in Form gerader Anschlussklemmen 21b und 22b in 2A, oder in Form von Drahtleitungen 3 in 1), die beispielsweise durch Löten mit dem PTC-Element verbunden sind, derart, dass sie versetzt am unteren vorderen und rechten Ende (2A) angebracht sind, oder an frei wählbaren Orten an Außenflächen der linken bzw. rechten Elektrodenplatte 21a bzw. 22a.
Das PTC-Element 20 mit den Elektrodenplatten 21a und 22a bildet einen den elektrischen Strom leitenden, sich bei Wärmeeinwirkung ausdehnenden bzw. danach wieder zusammenziehenden Wärmequellen-Festkörper.
Wie aus 1 hervorgeht, weist das PTC-Element 1 einen anhaftenden elastischen Körper 4 (oder eine entsprechende Schicht oder einen entsprechenden Film) auf, der die gesamte Außenfläche des Wärmequellenkörpers (20+21a+22a) umhüllend umgibt.
Wie aus 2B hervorgeht, weist der isolierende Körper 4 auf: Einen sich an einen Gegenstand anpassenden Körper 40 aus einer elastischen, insgesamt oder zumindest teilweise elektrisch nicht-leitenden (also dielektrischen), körperlich anhaftenden, wärmeleitenden und insgesamt oder schichtweise homogenen Verbindung aus einem Silikon-Gel und einer Grundmenge oder Grundmengen eines oder mehrerer Zusatzstoffe (beispielsweise Silikat oder Aluminiumoxid), zur Erzielung der Wärmeleitung und der Haftung. Es bildet sich ein insgesamt oder schichtweise homogenes System aus einer vorbestimmten Zusatzmenge gut wärmeleitfähiger kleiner synthetischer oder kristalliner dielektrischer Teilchen 41 (oder entsprechender Stücke oder Gewebe), die in dem Verbundkörper 40 suspendiert sind. Die suspendierten Teilchen 41 (oder Stücke oder Gewebe) können gleich dem Zusatzstoff oder den Zusatzstoffen sein, oder sich hiervon unterscheiden. Der Verbundkörper 40 kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als Luft aufweisen, insgesamt oder schichtweise. Das suspendierte System 41 kann eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als der Verbundkörper 40, insgesamt oder stückweise. Daher hat der elastische Körper 4 ein höheres Wärmeleitvermögen als Luft. Die Zusatzstoffe in der Verbindung aus Silikon-Gel im elastischen Körper 40, die beispielsweise zur Erzielung der Haftung und der Wärmeleitung dienen, können bezüglich der Menge, der Fläche und/oder schichtweise so gewählt werden, dass die gestalterische Freiheit nicht eingeschränkt wird. Das suspendierte System 41 kann für allgemeine Einsatzzwecke ggf. weggelassen werden, bei welchen erwartet wird, dass der elastische Körper 4 ein erheblich besseres Wärmeleitvermögen aufweist als Luft. Der elastische Körper 4 kann auf den Wärmequellenkörper (20+21a+22a) aufgebracht werden durch Eintauchen, Ausformen, Aufsprühen oder andere verwendbare Vorgehensweisen zur Beschichtung, oder auch durch ein einfaches Aufbringen.
Die Außenseite 4a des gesamten elastischen Körpers 4 weist im wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf. Die Innenseite 4b des gesamten elastischen Körpers 4 umschließt die gesamte Außenoberfläche des Wärmequellenkörpers und haftet an dieser an. In einer bestimmten Richtung (beispielsweise einer der zueinander orthogonalen Richtungen X, Y oder Z in einem zugehörigen Koordinatensystem) weist der elastische Körper 4 eine größere Dicke als eine festgelegte Dicke t auf (vorzugsweise ≥ 0,5 mm), zwischen der Innenseite 4b und der Außenseite 4a, wobei die Dicke t so festgelegt wird, dass eine erforderliche elastische Verformung zur Anpassung an jede Einwirkungsseite des Körpers 4 ermöglicht wird, damit eine maximale lineare Expansion und Kontraktion erzielt wird, ohne dass eine zu starke Gegenkraft in der jeweiligen Richtung auftritt, unter Berücksichtigung der Form und der Abmessungen der Elektroden 21 und 22, welche größer oder kleiner als das eigentliche PTC-Element 20 ausgebildet sein können. Diese Dicke t dient dazu, den Einsatz in einem begrenzten Raum (beispielsweise gemäß 3) zu ermöglichen, und kann für allgemeine Einsatzzwecke frei gewählt werden.
Der elastische Körper 4 kann eine Umhüllungsform aufweisen, die an einem Ende oder an beiden Enden geöffnet ist, zur Einführung des Wärmequellenkörpers, sowie an einigen Orten zur Verbindung mit den Leitern, und kann zusätzlich einen oder mehrere Deckel zum Verschließen der Öffnung aufweisen.
Der elastische Körper 4 kann mehrere unterteilte oder abtrennbare Teile aufweisen, die ring- oder plattenförmig sind. Eine Platte oder mehrere Platten des elastischen Körpers (4) können einfach auf die Anbringungsseite des Wärmequellenkörpers aufgebracht sein. Jeder derartige elastische Körper, der bereits angebracht ist, oder als in Einzelstücke aufgeteilte Platte ausgebildet ist, die durch eine Schere abgetrennt werden können, kann in Form eines elastischen Körpers 4 bereit gestellt werden Der elastische Körper 4 kann eine weniger stark anhaftende oder einfach nur unter Reibungseinfluss befestigte Innenflächenschicht aufweisen, um den Wärmesenkenkörper zu haltern, sowie eine elastische Schicht innerhalb der Fläche mit einer nominellen Dicke t, und eine stark anhaftende Außenflächenschicht oder einen entsprechenden Film, der ohne Ausbildung von Zwischenräumen an dem Wärmesenkenkörper anhaftet.
Bei einer vorgefertigten Form des PTC-Elements 1 oder in verarbeiteter Form kann der elastische Körper 4 selbstklebend ausgebildet sein oder eine Klebeschicht oder einen Klebefilm aufweisen, der einfach auf einen festgelegten oder möglichen Bereich des Wärmesenkenkörpers aufgebracht ist, oder kann eine nichtklebende Kante oder einen nichtklebenden Oberflächenbereich aufweisen, die jeweils für einen Einsatzzweck bestimmt sind, in welchem bei Verarbeitung in der Atmosphäre ein entsprechendes Reinigungsmittel erforderlich sein kann.
Der elastische Körper 4 kann ein klebfähiges Elastomer wie beispielsweise einen Kleber aus Gummi oder Polymer aufweisen.
3 zeigt eine Anordnung mit zwei PTC-Elementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Bei dieser Anordnung wird ein Paar aus einem linken und einem rechten, voneinander beabstandeten ausgerichteten PTC-Elementen 1 durch deren Leitungsanschlussklemmen 3 gehaltert, wobei diese an ihren unteren Enden durch ein Lot 8 mit einer Leiterplatte 7 mit einer gedruckten Schaltung verbunden sind. Bei dem linken und rechten PTC-Element 1 haltern elastische Körper 4 zwei Wärmesenken bildende Platten 5, eine vorn und eine hinten in Horizontalrichtung. Diese Platten 5 sind durch Anhaften an einer vorderen bzw. hinteren Anbringungsfläche der elastischen Körper 4 angebracht, und sind aneinander durch eine Maschinenschraube 6 befestigt, die durch die Platten 5 und zwischen den PTC-Elementen 1 hindurchgeht, so dass die Platten 5 voneinander um eine Entfernung beabstandet sind, die geringfügig kleiner ist als die normale Dicke jedes PTC-Elements 1 bei Raumtemperatur. Das linke und das rechte PTC-Element 1 können seitlich aneinander befestigt sein, und die Platten 5 können durch eine linke und eine rechte Schraube befestigt sein, die voneinander um eine größere Entfernung beabstandet sind, als der zweifachen Abmessung jedes PTC-Elements 1 in Richtung ihrer Breite entspricht.
Bei der beschriebenen Ausführungsform kann die Wärmeausdehnung in Richtung der Dicke eines Wärmequellenkörpers jedes PTC-Elements 1 so aufgenommen werden, dass sich der vordere und der hintere Abschnitt eines elastischen Körpers 4 zwischen dem Wärmequellenkörper und den Wärmesenkenplatten 5 elastisch angepasst verformt und in Querrichtung ausweicht, wodurch die Platten 5 in vollständige Berührung ohne Zwischenräume mit jedem PTC-Element 1 gebracht werden können, was eine Verbesserung des Wärmeleitvermögens ermöglicht, so dass sich ein erhöhter Grad an Wärmeabführung ergibt.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen können frei wählbar miteinander kombiniert werden.
Bei den geschilderten Ausführungsformen kann die Anordnung zur Wärmeabführung von einem PTC-Element 1 bzw. 20, welches zwischen zwei Wärme aufnehmenden Platten 5 vorgesehen ist, die als Wärmesenkenkörper ausgebildet sind, so getroffen sein, dass Oberflächen des Wärmequellenkörpers des PTC- Elements 1 mit einem wärmeleitenden, anhaftenden elastischen Mittel beschichtet sind, und die Platten 5 mit dem PTC-Element verklebt sind.
Da das elastische Beschichtungsmittel eine Klebkraft aufweist, können die Platten 5 an der Wärmequellenseite angebracht werden. Da das wärmeleitende Mittel in Kontakt ohne Ausbildung von Zwischenräumen sowohl mit dem Wärmequellenkörper als auch dem Wärmesenkenkörper steht, wird Wärme wirksam von der Wärmequelle zur Wärmesenke geleitet, wodurch eine verbesserte Wärmeabführung erzielt wird.
Es sind zwei Platten 5 an beiden Seiten, jeweils eine an einer Seite, eines Wärmequellenkörpers eines PTC-Elements 1 angebracht, welches mit einem wärmeleitenden, elastischen Klebemittel beschichtet ist, und werden gegenseitig durch eine Schraube 6 befestigt.
Da das elastische Mittel eine vom Wärmequellenkörper des PTC-Elements ausgehende Wärme mit absorbiert, kann der Wärmequellenkörper, der mit dem Mittel beschichtet ist, ohne Ausbildung von Zwischenräumen zwischen die als Wärmesenken wirkende Platten 5 eingebracht werden.

Claims

Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element (1; 20) entstehenden Wärme, bei welcher das PTC-Element (1; 20), das eine elastische Umhüllung (4) aufweist, zwischen gegenüberliegenden Wärmesenken (5) angeordnet ist; der Abstand zwischen den Wärmesenken (5) festgelegt ist; und; das PTC-Element (1; 20) einen wärmeleitenden Polymerkörper (20a) aufweist, der sich bei Wärmeeinwirkung ausdehnt und damit den thermischen Kontakt des PTC-Elements (1; 20) zu den Wärmesenken (5) verbessert.
Anordnung nach Anspruch 1, umfassend eine Verbindungseinrichtung (6), welche die gegenüberliegenden Wärmesenken (5) untereinander derart verbindet, dass der festgelegte Abstand zwischen den Wärmesenken (5) erhalten bleibt.
Anordnung nach Anspruch 2, bei welcher die Verbindungseinrichtung (6) zwischen den gegenüberliegenden Wärmesenken (5) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Verbindungseinrichtung (6) die gegenüberliegenden Wärmesenken (5) in einem gegenseitigen Abstand hält, welcher etwas kleiner ist als die Dicke des PTC-Elements (1; 20).
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher bei Ausdehnung des PTC-Elements (1; 20) in einer Richtung senkrecht zu den Wärmesenken (5) die Umhüllung (4) dafür vorgesehen ist, sich in einer Richtung parallel zu den Wärmesenken (5) auszudehnen.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher in einem elastischen Körper (40) der Umhüllung (4) wärmeleitendes Material suspendiert ist zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des elastischen Körpers (40).
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Umhüllung (4) äußere Flächenbereiche für eine klebende Verbindung mit den Wärmesenken (5) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welcher die Verbindungseinrichtung (6) seitlich zu dem PTC-Element (1; 20) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welcher zwei PTC-Elemente (1; 20) nebeneinander zwischen den Wärmesenken (5) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, bei welcher die zwei PTC-Elemente (1; 20) einen seitlichen Abstand voneinander aufweisen und die Verbindungseinrichtung (6) zwischen den zwei PTC-Elementen (1; 20) angeordnet ist.