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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung mit zumindest einem keramischen PTC-Heizelement.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Straßenfahrzeugen, ist es üblich, eine Fahrzeug-Heizvorrichtung bereitzustellen, mit der ein Beheizen einer Fahrgastzelle und gegebenenfalls weiterer Bereiche ermöglicht wird. In herkömmlichen Straßenfahrzeugen wurde zu diesem Zweck üblicherweise die Abwärme von einem Verbrennungsmotor genutzt, die über eine Motorkühlflüssigkeit und einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher zu einem Teil auf Luft übertragen wird, die einem Innenraum zu dessen Konditionierung zugeführt wird.
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Insbesondere aufgrund der Entwicklung von immer verbrauchsoptimierteren kraftstoffbetriebenen Antriebsmotoren, bei denen die Abwärme in vielen Betriebszuständen nicht mehr zu einer ausreichenden Beheizung des Innenraums ausreicht, werden in immer größerem Umfang Zuheizer verbaut, die zusätzlich Heizleistung bereitstellen. Ferner findet vermehrt eine Entwicklung von Elektrofahrzeugen, die rein elektrisch angetrieben werden, und sogenannten Hybrid-Fahrzeugen, die sowohl einen elektrischen Antriebsmotor als auch einen Verbrennungsmotor aufweisen, statt. Auch bei diesen Fahrzeugen stellen die Antriebskomponenten zumindest bei vielen Betriebszuständen keine ausreichende Wärme zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums bereit.
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Als Heizvorrichtungen zur Beheizung von Fahrzeuginnenräumen können brennstoffbetriebene Heizgeräte, die oftmals mit demselben Brennstoff wie ein Verbrennungsmotor des Fahrzeugs betrieben werden, oder auch elektrische Heizvorrichtungen, die unter Aufnahme von elektrischer Energie Wärmeenergie bereitstellen, zum Einsatz kommen. Als elektrische Heizvorrichtungen kommen dabei insbesondere Widerstandsheizer zum Einsatz, die elektrische Energie in ohmsche Wärme umsetzen. Besonders häufig kommen dabei sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die eine Widerstands-Temperatur-Charakteristik aufweisen, die im Bereich eines Arbeitspunkts einen steilen Anstieg des elektrischen Widerstands bei ansteigender Temperatur zeigen. Diese üblicherweise keramischen PTC-Heizelemente weisen dabei weitestgehend selbstregelnde Eigenschaften auf, die aufgrund der Widerstands-Temperatur-Charakteristik ein zu starkes Erhitzen über vorgegebene Grenztemperaturen verhindern. Die elektrischen Widerstandsheizelemente werden dabei herkömmlich derart angeordnet, dass eine elektrische Spannung führende Komponenten in unmittelbarem Kontakt mit Luft stehen, die einem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird.
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Insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen existieren üblicherweise ein Hochspannungsbordnetz mit Versorgungsspannungen im Bereich von mehreren Hundert Volt und ein Niederspannungsbordnetz mit typischerweise einer Versorgungsspannung von z.B. 12 Volt nebeneinander. Bei derartigen Fahrzeugen sind oftmals Zuheizleistungen im Bereich größer als 2 kW bis über 6 kW erwünscht. Das Bereitstellen der gewünschten Heizleistung mit elektrischen Heizelementen, die über das Niederspannungsbordnetz versorgt werden, stößt dabei auf Grenzen, die unter anderem durch hohe erforderliche Ströme und kostspielige Spannungswandler bedingt sind. Das Betreiben konventioneller elektrischer Heizelemente mit dem Hochspannungsbordnetz ist im Hinblick auf die erforderliche Insassensicherheit bedenklich, sodass zusätzliche elektrische Isolierungen erforderlich werden. Eine Isolierung mit zusätzlichen Isolationsschichten verschlechtert oftmals den Wärmedurchgangskoeffizienten für die Wärmeauskopplung deutlich, da vermehrt Wärmeübergangswiderstände ausgebildet werden. Ferner tritt das Problem auf, dass sich die elektrische Kontaktierung von PTC-Heizelementen aufgrund von z.B. thermischen Ausdehnungsprozessen der PTC-Heizelemente im Betrieb verschlechtern kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung bereitzustellen, bei der ein Betrieb von PTC-Heizelementen mit einem Hochspannungsbordnetz bei einem hohen Maß an Insassensicherheit ermöglicht ist und gleichzeitig eine beständige Kontaktierung des PTC-Heizelements und eine gute Wärmeauskopplung von dem PTC-Heizelement erreicht werden.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung weist auf: zumindest ein, im Wesentlichen plattenförmig ausgebildetes keramisches PTC-Heizelement, das eine erste Hauptoberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche aufweist; eine metallische erste Kontaktierungsschicht, die die erste Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert; eine metallische zweite Kontaktierungsschicht, die die zweite Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert; eine elektrisch isolierende, keramische erste Isolierungsstruktur, die eine von der ersten Hauptoberfläche abgewandte Seite der ersten Kontaktierungsschicht bedeckt; und eine elektrisch isolierende, keramische zweite Isolierungsstruktur, die eine von der zweiten Hauptoberfläche abgewandte Seite der zweiten Kontaktierungsschicht bedeckt. Das PTC-Heizelement, die erste Kontaktierungsschicht, die zweite Kontaktierungsschicht, die erste Isolierungsstruktur und die zweite Isolierungsstruktur sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Unter einem keramischen PTC-Heizelement wird ein keramisches Heizelement verstanden, dass in einem Temperaturbereich in der Nähe eines Arbeitspunktes eine Widerstands-Temperatur-Charakteristik aufweist, bei der mit steigender Temperatur ein starker Anstieg des elektrischen Widerstands auftritt. Es sind insbesondere z.B. derartige keramische PTC-Heizelemente auf der Basis von BaTiO3 bekannt. Derartige keramische PTC-Heizelemente weisen bei Anlegen einer konstanten Versorgungsspannung ein weitestgehend selbstregelndes Verhalten auf, da mit einer zunehmenden Erwärmung ein Anstieg des elektrischen Widerstands einhergeht und somit die elektrische Leistungsaufnahme und damit auch die Heizleistung sinkt. Solange viel Wärme von dem PTC-Heizelement abgeführt wird, bleibt der elektrische Widerstand relativ niedrig und es wird viel Heizleistung bereitgestellt. Wenn allerdings nur wenig oder keine Heizleistung abgeführt wird, steigt die Temperatur des PTC-Heizelements und mit dieser der elektrische Widerstand, sodass weniger elektrische Leistungsaufnahme die Folge ist. Bei entsprechender Auslegung kann in dieser Weise eine Überhitzung über eine vorgegebene Grenztemperatur zuverlässig unterbunden werden. Unter „im Wesentlichen plattenförmig“ wird dabei verstanden, dass das PTC-Heizelement zwei sich gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist, die deutlich größer als die anderen Oberflächen des PTC-Heizelements sind. Das PTC-Heizelement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die beiden Hauptoberflächen parallel zueinander verlaufen. Die Hauptoberflächen können dabei z.B. im Wesentlichen planar oder aber auch gekrümmt, gewellt, gebogen, etc. ausgebildet sein. Unter „im Wesentlichen vollflächig kontaktiert“ wird dabei eine Kontaktierung von zumindest 60 % der jeweiligen Hauptoberfläche, bevorzugt zumindest 80 % der Hauptoberfläche, mehr bevorzugt von 100 % der Hauptoberfläche verstanden.
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Die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche des keramischen PTC-Heizelements dienen sowohl zu dessen elektrischer Kontaktierung als auch zur Wärmeauskopplung aus dem PTC-Heizelement und zur mechanischen Verbindung. Die elektrische Kontaktierung wird durch die erste Kontaktierungsschicht und die zweite Kontaktierungsschicht bereitgestellt. Aufgrund der ersten und der zweiten Isolierungsstruktur sind die als Wärmeauskopplungsflächen dienenden Hauptoberflächen gegenüber einem zu erwärmenden Medium elektrisch isoliert, wenn das zu erwärmende Medium in unmittelbaren Kontakt mit der ersten und der zweiten Isolierungsstruktur gebracht wird. Die anderen Bereiche der elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere die seitlichen Flächen, können ebenfalls gegenüber dem zu erwärmenden Medium elektrisch isoliert ausgebildet sein. Aufgrund der elektrischen Isolierung durch die erste und die zweite Isolierungsstruktur wird auch bei einem Betrieb des PTC-Heizelements mit einer hohen Versorgungsspannung, z.B. aus einem Hochspannungsbordnetz, ein hohes Maß an Sicherheit für Fahrzeuginsassen bereitgestellt. Da das PTC-Heizelement, die erste Kontaktierungsschicht, die zweite Kontaktierungsschicht, die erste Isolierungsstruktur und die zweite Isolierungsstruktur stoffschlüssig miteinander verbunden sind, sind die Wärmeübergangswiderstände in der Wärmeauskopplungsrichtung, d.h. senkrecht zur ersten und zweiten Hauptoberfläche, minimiert. Ferner ist mit dieser Ausgestaltung auch eine dauerhafte zuverlässige Kontaktierung des PTC-Heizelements über die erste und die zweite Kontaktierungsschicht sichergestellt. Die erste und die zweite Isolierungsstruktur weisen dabei bevorzugt eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung sind Wanderbewegungen des PTC-Heizelements aufgrund von abwechselnden thermischen Längenänderungen ferner zuverlässig unterbunden. Gegenüber einer elektrischen Isolierung eines PTC-Heizelements mit z.B. elektrisch isolierender, gut wärmeleitender Folie ist in dieser Weise auch ein mechanisches Durchscheuern der elektrischen Isolierung zuverlässig verhindert. Es wird ferner eine dauerhafte elektrische Kontaktierung mit geringen elektrischen Übergangswiderständen bereitgestellt und es sind dazu keine mechanischen Kontaktanpresskräfte erforderlich. Die Fahrzeug-Heizeinrichtung ist ferner als eine kompakte und kostengünstige Baueinheit bereitgestellt, bei der die elektrischen Anschlüsse für das PTC-Element, die elektrische Isolierung gegenüber dem zu beheizenden Medium und das PTC-Element zu einer Komponente fest integriert sind. Aufgrund der erzielten effizienten Wärmeauskopplung kann bereits mit wenigen PTC-Heizelementen viel Heizleistung bereitgestellt werden, was eine kostengünstige und kompakte Ausgestaltung ermöglicht, die nur wenig Bauraum benötigt. Die stoffschlüssige Verbindung kann z.B. durch einen Lötprozess, durch ein Aufschmelzen oder Sintern des Materials der Kontaktierungsschichten, etc. erzielt sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind von dem PTC-Heizelement abgewandte freie Oberflächen der ersten Isolierungsstruktur und der zweiten Isolierungsstruktur zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet. Die freien Oberflächen können z.B. für einen unmittelbaren Kontakt mit zu erwärmender Luft als Luftheizvorrichtung oder mit einer zu erwärmenden Flüssigkeit als Flüssigkeitsheizvorrichtung ausgebildet sein. Es kann auch unmittelbar auf den freien Oberflächen ein Wärmetauscher, z.B. aus Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgebildet sein. Der Wärmetauscher kann dabei z.B. mit einer großen freien Oberfläche zur Wärmeübertragung auf das zu erwärmende Medium, z.B. in Form von Rippen, Lamellen, Finnen, etc., versehen sein. In diesem Fall ist eine effiziente Abfuhr der Heizwärme von dem PTC-Heizelement mit geringen Wärmeübergangswiderständen bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung zum Beheizen von Luft als zu erwärmendes Medium ausgebildet, d.h. als Luftheizgerät. In diesem Fall kann z.B. unmittelbar Luft zur Konditionierung eines Fahrzeuginnenraums mit der Fahrzeug-Heizvorrichtung effizient beheizt werden und dabei ist auch bei einem Betrieb mit einer hohen Versorgungsspannung ein hohes Maß an Sicherheit für Fahrzeuginsassen bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung zum Beheizen einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs als zu erwärmendes Medium ausgebildet, d.h. als Flüssigkeitsheizgerät. In diesem Fall kann die Fahrzeug-Heizvorrichtung z.B. auch in einen Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors oder z.B. in einen Temperierkreislauf eines Elektroantriebs zum Beheizen der jeweiligen Flüssigkeit eingebunden werden. Dabei ist ein effizientes Beheizen bei gleichzeitig einem hohen Maß an Sicherheit gewährleistet. Gemäß einer Ausgestaltung sind die erste Isolierungsstruktur und die zweite Isolierungsstruktur im Wesentlichen plattenförmig und biegesteif ausgebildet. In diesem Fall ist eine stabile Fahrzeug-Heizvorrichtung mit einer dauerhaften Integration zu einem Bauteil bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung weisen die erste Kontaktierungsschicht und die zweite Kontaktierungsschicht jeweils zumindest einen seitlich über das PTC-Heizelement herausstehenden Anschlussabschnitt auf. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass die jeweilige Isolierungsstruktur und die Kontaktierungsschicht jeweils über das PTC-Heizelement herausstehen. Unter seitlich wird dabei eine Richtung senkrecht zu der Wärmeauskopplungsrichtung, d.h. parallel zu der ersten bzw. zweiten Hauptoberfläche, verstanden. In diesem Fall ist eine zuverlässige Kontaktierung mit einer elektrischen Leistungsversorgung ermöglicht, ohne die Wärmeauskopplung aus dem PTC-Heizelement nachteilig zu beeinflussen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung für einen Betrieb mit einer elektrischen Versorgungsspannung größer als 100 Volt ausgelegt. Die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung kann dabei insbesondere für einen Betrieb mit der elektrischen Versorgungsspannung in einem Hochspannungsbordnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgelegt sein. In diesem Fall kann zu einer elektrischen Fahrzeugbeheizung effizient das Hochspannungsbordnetz genutzt werden, sodass für das Beheizen weder hohe Stromflüsse erforderlich sind noch kostspielige Spannungswandler zum Einsatz kommen müssen.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten keramischen PTC-Heizelements, das eine erste Hauptoberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche aufweist; Bereitstellen einer elektrisch isolierenden, keramischen ersten Isolierungsstruktur; Bereitstellen einer elektrisch isolierenden, keramischen zweiten Isolierungsstruktur; stoffschlüssiges Verbinden der ersten Isolierungsstruktur mit der ersten Hauptoberfläche des PTC-Heizelements unter Ausbildung einer metallischen ersten Kontaktierungsschicht, die die erste Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert, zwischen der ersten Isolierungsstruktur und der ersten Hauptoberfläche; und stoffschlüssiges Verbinden der zweiten Isolierungsstruktur mit der zweiten Hauptoberfläche des PTC-Heizelements unter Ausbildung einer metallischen zweiten Kontaktierungsschicht, die die zweite Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert, zwischen der zweiten Isolierungsstruktur und der zweiten Hauptoberfläche. Mit dem Verfahren werden die oben bereits in Bezug auf die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung beschriebenen Vorteile erzielt.
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Das stoffschlüssige Verbinden der einzelnen Komponenten der Fahrzeug-Heizvorrichtung kann z.B. dadurch erfolgen, dass zwischen das PTC-Heizelement und die erste und zweite Isolierungsstruktur jeweils eine metallische Kontaktierungsschicht eingebracht wird. Es ist z.B. möglich, das PTC-Heizelement, die erste Isolierungsstruktur und die zweite Isolierungsstruktur auf einen gewünschten Abstand zu bringen und das Material der metallischen Kontaktierungsschichten im schmelzflüssigen Zustand in einen gebildeten Spalt einzubringen und dort unter Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zu sowohl dem PTC-Heizelement als auch der jeweiligen Isolierungsstruktur erstarren zu lassen. Dies setzt allerdings einen ausreichend niedrigen Schmelzpunkt des Materials der metallischen Kontaktierungsschichten voraus. Das Material für die metallische Kontaktierungsschicht kann allerdings auch bereits zuvor auf entweder die Hauptoberflächen des PTC-Heizelements oder die jeweils dem PTC-Heizelement zugewandte Oberfläche der Isolierungsstruktur oder auf beides aufgebracht sein, sodass die stoffschlüssige Verbindung z.B. durch Löten, Sintern oder Aufschmelzen des Materials der metallischen Kontaktierungsschicht ausgebildet werden kann. Das Material der jeweiligen metallischen Kontaktierungsschicht bildet dabei jeweils eine stoffschlüssige Verbindung mit der entsprechenden Hauptoberfläche des PTC-Heizelements und mit der entsprechenden Oberfläche der Isolierungsstruktur aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das stoffschlüssige Verbinden durch Sintern, Aufschmelzen oder Verlöten des Materials der metallischen Kontaktierungsschichten. Dies kann bevorzugt unter Vakuum erfolgen, um die Ausbildung von Lufteinschlüssen zu verhindern. In diesem Fall wird in besonders einfacher Weise eine feste stoffschlüssige Verbindung mit hoher thermischer Leitfähigkeit und geringen Wärmeübergangswiderständen ausgebildet.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird die erste elektrische Kontaktierungsschicht durch eine auf der ersten Isolierungsstruktur und/oder der ersten Hauptoberfläche des PTC-Heizelements ausgebildete metallische Schicht gebildet und die zweite Kontaktierungsschicht durch eine auf der zweiten Isolierungsstruktur und/oder der zweiten Hauptoberfläche des PTC-Heizelements ausgebildete metallische Schicht gebildet. Die jeweilige Kontaktierungsschicht kann somit bereits vor dem Zusammenfügen des PTC-Heizelements mit der entsprechenden Isolierungsstruktur auf der Isolierungsstruktur oder der jeweiligen Hauptoberfläche des PTC-Heizelements ausgebildet werden. Alternativ können z.B. auch sowohl auf der Hauptoberfläche des PTC-Heizelements als auch der entsprechenden Oberfläche der dieser zugewandten Isolierungsstruktur jeweils ein Teil der Kontaktierungsschicht ausgebildet werden und diese beiden Teile anschließend stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
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2 zeigt schematisch eine weitere Seitenansicht der elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung von 1.
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3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Fahrzeug-Heizvorrichtung von 1.
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4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines möglichen Herstellungsverfahrens.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform unter Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. Die 1 bis 3 zeigen eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 in drei verschiedenen Ansichten.
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Die Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 weist ein im Wesentlichen plattenförmig ausgebildetes keramisches PTC-Heizelement 2 auf. Das PTC-Heizelement 2 weist eine Temperatur-Widerstands-Charakteristik auf, bei der in einem Temperaturbereich um einen Arbeitspunkt ein starker Anstieg des elektrischen Widerstands mit der Temperatur auftritt. Das PTC-Heizelement 2 kann z.B. auf BaTiO3-Basis, z.B. auch mit geeigneten Dotierungen, gebildet sein. Das PTC-Heizelement 2 ist insoweit plattenförmig ausgebildet, dass es in einer Ebene eine große Erstreckung aufweist und im Verhältnis dazu eine relativ kleine Dicke aufweist. Das PTC-Heizelement 2 weist eine erste Hauptoberfläche 2a und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche 2b auf. Die erste Hauptoberfläche 2a und die zweite Hauptoberfläche 2b werden durch die beiden einander gegenüberliegenden größten Flächen des PTC-Heizelements 2 gebildet.
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Auf der ersten Hauptoberfläche 2a des PTC-Heizelements 2 ist eine metallische erste Kontaktierungsschicht 4 ausgebildet. Die metallische erste Kontaktierungsschicht 4 bedeckt die erste Hauptoberfläche 2a bei der dargestellten Ausführungsform vollflächig, d.h. sie bedeckt die gesamte Oberfläche der Hauptoberfläche 2a. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die erste Kontaktierungsschicht 4 derart, dass sie an zumindest einer Seite seitlich über das PTC-Heizelement 2 hervorsteht (rechts in 1). Der hervorstehende Bereich bildet einen Anschlussabschnitt 4a. Der Anschlussabschnitt 4a ist dazu ausgebildet, die erste Kontaktierungsschicht 4 mit einer elektrischen Leistungsversorgung oder mit einer Kontaktierungsschicht einer weiteren elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung zu verbinden. Obwohl der Anschlussabschnitt 4a bei der dargestellten Ausführungsform entlang der gesamten Seite des PTC-Heizelements 2 hervorsteht, ist es auch möglich, dass dieser nur in einem kurzen Abschnitt hervorsteht.
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Auf der zweiten Hauptoberfläche 2b des PTC-Heizelements 2 ist in analoger Weise eine metallische zweite Kontaktierungsschicht 3 ausgebildet. Die metallische zweite Kontaktierungsschicht 3 bedeckt die zweite Hauptoberfläche 2b bei der dargestellten Ausführungsform vollflächig, d.h. sie bedeckt die gesamte Oberfläche der Hauptoberfläche 2b. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die zweite Kontaktierungsschicht 3 derart, dass sie an zumindest einer Seite seitlich über das PTC-Heizelement 2 hervorsteht (links in 1). Der hervorstehende Bereich bildet einen weiteren Anschlussabschnitt 3a. Der Anschlussabschnitt 3a ist dazu ausgebildet, die zweite Kontaktierungsschicht 3 mit einer elektrischen Leistungsversorgung oder mit einer Kontaktierungsschicht einer benachbarten, weiteren elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung zu verbinden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der weitere Anschlussabschnitt 3a auf der gegenüberliegenden Seite des PTC-Heizelements 2 zu dem Anschlussabschnitt 4a angeordnet. Die Anschlussabschnitte 3a und 4a können z.B. über Kontaktbleche mit der elektrischen Leistungsversorgung verbunden werden. Auch der Anschlussabschnitt 3a kann auch nur in einem seitlichen Teilbereich des PTC-Heizelements 2 hervorstehen.
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Auf der von dem PTC-Heizelement 2 abgewandten Oberfläche der ersten Kontaktierungsschicht 4 ist eine elektrisch isolierende, keramische erste Isolierungsstruktur 5 ausgebildet. Die erste Isolierungsstruktur 5 bedeckt die entsprechende Oberfläche der ersten Kontaktierungsschicht 4 vollflächig, insbesondere auch den Anschlussabschnitt 4a. Gleichermaßen ist auf der von dem PTC-Heizelement 2 abgewandten Oberfläche der zweiten Kontaktierungsschicht 3 eine elektrisch isolierende, keramische zweite Isolierungsstruktur 6 ausgebildet. Die zweite Isolierungsstruktur 6 bedeckt die entsprechende Oberfläche der zweiten Kontaktierungsschicht 3 vollflächig, insbesondere auch den weiteren Anschlussabschnitt 3a. Die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 sind dabei ebenfalls im Wesentlichen plattenförmig und biegesteif ausgebildet.
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Das PTC-Heizelement 2, die erste Kontaktierungsschicht 4, die zweite Kontaktierungsschicht 3, die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 sind dabei stoffschlüssig fest miteinander verbunden. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung, sind Wärmeübergangswiderstände in einer Wärmeauskopplungsrichtung, die sich senkrecht zu der ersten Hauptoberfläche 2a und der zweiten Hauptoberfläche 2b erstreckt, von dem PTC-Heizelement 2 über die jeweilige Kontaktierungsschicht 4 bzw. 3 und die jeweilige Isolierungsstruktur 5 bzw. 6 minimiert. Ferner ist in dieser Weise eine feste und dauerhafte Kontaktierung der ersten Hauptoberfläche 2a und der zweiten Hauptoberfläche 2b im Wesentlichen über deren gesamte Oberfläche bereitgestellt. Dabei werden geringste elektrische Übergangswiderstände erreicht und ein Mikrowandern des PTC-Heizelements 2 aufgrund von thermischen Ausdehnungsprozessen ist zuverlässig verhindert.
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Im Betrieb der elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 wird über die erste Kontaktierungsschicht 4 und die zweite Kontaktierungsschicht 3 eine Versorgungsspannung an das PTC-Heizelement 2 angelegt. Durch die im Wesentlichen vollflächige Kontaktierung der ersten Hauptoberfläche 2a und der zweiten Hauptoberfläche 2b wird die Ausbildung eines gleichmäßigen Potentialgefälles über den gesamten Querschnitt des PTC-Heizelements 2 begünstigt. Aufgrund des resultierenden Stromflusses durch das PTC-Heizelement 2 erwärmt sich dieses unter Freisetzung von ohmscher Wärme. Die freigesetzte Wärme wird von dem PTC-Heizelement 2 einerseits über die erste Kontaktierungsschicht 4 und die erste Isolierungsstruktur 5 ausgekoppelt bzw. abgeführt und andererseits über die zweite Kontaktierungsschicht 3 und die zweite Isolierungsstruktur 6. Diese Heizleistung wird dann über die freien Oberflächen der ersten Isolierungsstruktur 5 und der zweiten Isolierungsstruktur 6 auf ein zu erwärmendes Medium übertragen. Diese Übertragung kann z.B. dadurch erfolgen, dass das zu erwärmende Medium, z.B. Luft für einen Fahrzeug-Innenraum oder Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs, in unmittelbaren Kontakt mit den Oberflächen der ersten Isolierungsstruktur 5 und der zweiten Isolierungsstruktur 6 gebracht wird. Die Oberfläche der Isolierungsstrukturen 5 und 6 kann auch vergrößert ausgebildet sein, insbesondere gerippt, gewellt oder anderweitig strukturiert ausgebildet sein, um eine verbesserte Wärmeübertragung zu ermöglichen. Es kann aber z.B. auf den freien Oberflächen der ersten Isolierungsstruktur 5 und der zweiten Isolierungsstruktur 6 auch ein bevorzugt metallischer Wärmetauscher, z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aufgebracht sein, über den die Wärme auf das zu erwärmende Medium übertragen wird. Es kann zur Beheizung z.B. eine einzelne elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 verwendet werden, es ist z.B. aber auch möglich, mehrere derartige Fahrzeug-Heizvorrichtungen miteinander zu einem Heizsystem zu verschalten.
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Die umlaufenden Seiten der Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 sind mit einer (nicht dargestellten) elektrischen Isolierung elektrisch gegenüber dem zu erwärmenden Medium isoliert. Dies kann z.B. durch eine geeignete Beschichtung der Seitenflächen, durch einen Rahmen aus einem isolierenden Material, in den die Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 aufgenommen ist, oder ähnliches erfolgen. Es können z.B. auch mehrere Fahrzeug-Heizvorrichtungen 1 in einem gemeinsamen derartigen Rahmen aufgenommen sein. Die Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 ist bevorzugt für einen Betrieb mit einer Versorgungsspannung größer als 100 Volt ausgelegt, insbesondere für einen Betrieb mit der Spannung in einem Hochspannungsbordnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Gemäß einem ersten Herstellungsverfahren, werden das PTC-Heizelement 2, eine elektrisch isolierende, keramische erste Isolierungsstruktur 5 und eine elektrisch isolierende, keramische zweite Isolierungsstruktur 6 miteinander verbunden. Bei dem ersten Herstellungsverfahren sind die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 jeweils bereits mit dem metallischen Material für die metallische erste Kontaktierungsschicht 4 bzw. die metallische zweite Kontaktierungsschicht 3 versehen, wie in 4 schematisch dargestellt ist. Das metallische Material ist dabei bereits stoffschlüssig mit dem Material der ersten Isolierungsstruktur 5 bzw. der zweiten Isolierungsstruktur 6 verbunden. Das PTC-Heizelement 2, die beschichtete erste Isolierungsstruktur 5 und die beschichtete zweite Isolierungsstruktur 6 werden dann zusammengefügt. Anschließend wird das metallische Material z.B. durch Sintern oder durch Aufschmelzen stoffschlüssig mit dem PTC-Heizelement 2 verbunden, sodass die erste Kontaktierungsschicht 4 und die zweite Kontaktierungsschicht 3 ausgebildet werden. Nach diesem Schritt sind das PTC-Heizelement 2, die erste Kontaktierungsschicht 4, die zweite Kontaktierungsschicht 5, die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Gemäß einem zweiten Herstellungsverfahren ist das PTC-Heizelement 2 bereits auf beiden Hauptoberflächen 2a und 2b stoffschlüssig mit dem metallischen Material für die erste Kontaktierungsschicht 4 und die zweite Kontaktierungsschicht 3 beschichtet. Auf das beidseitig beschichtete PTC-Heizelement 2 werden dann eine unbeschichtete erste Isolierungsstruktur 5 und eine unbeschichtete zweite Isolierungsstruktur 6 aufgebracht. Nach dem Zusammenfügen wird das metallische Material z.B. durch Sintern oder durch Aufschmelzen stoffschlüssig unter Ausbildung der Kontaktierungsschichten 4 und 3 mit der jeweiligen Isolierungsstruktur 5 bzw. 6 verbunden. Auch in diesem Fall sind nach diesem Schritt das PTC-Heizelement 2, die erste Kontaktierungsschicht 4, die zweite Kontaktierungsschicht 3, die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Als weitere Möglichkeit können z.B. sowohl das PTC-Heizelement 2 als auch die beiden Isolierungsstrukturen 5 und 6 zuvor bereits mit dem metallischen Material für die Kontaktierungsschichten versehen sein und zusammengefügt werden. Durch z.B. einen Sinter-, Löt- oder Aufschmelzprozess können die erste Kontaktierungsschicht 4 und die zweite Kontaktierungsschicht 3 in diesem Fall jeweils aus der Beschichtung des PTC-Heizelements 2 und der Beschichtung der zugewandten Isolierungsstruktur 5 bzw. 6 ausgebildet werden.
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Gemäß einem weiteren möglichen Herstellungsverfahren werden das PTC-Heizelement 2 und die beiden Isolierungsstrukturen 5 und 6 zunächst mit vorbestimmten Abständen zueinander derart angeordnet, dass der für die Kontaktierungsschichten 4 und 3 benötigte Spalt freibleibt. Anschließend wird das metallische Material für die Kontaktierungsschichten 4 und 3 z.B. schmelzflüssig in den jeweiligen Spalt eingebracht.
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Sämtliche beschriebenen Verfahrensschritte zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung können bevorzugt unter Vakuum durchgeführt werden, um die Ausbildung von Lufteinschlüssen an der Verbindungsstelle zu verhindern.
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Obwohl einige mögliche Herstellungsverfahren beschrieben wurden, sind auch weitere Herstellungsverfahren möglich, mit denen die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem PTC-Heizelement 2, den Kontaktierungsschichten 3 und 4 und den Isolierungsstrukturen 5 und 6 bereitgestellt werden können.
