DE3436826A1

DE3436826A1 - Elektrische heizeinrichtung

Info

Publication number: DE3436826A1
Application number: DE19843436826
Authority: DE
Inventors: Günter 8563 Schnaittach Tiepke
Original assignee: Stettner and Co
Current assignee: Stettner and Co
Priority date: 1984-10-06
Filing date: 1984-10-06
Publication date: 1986-04-10
Also published as: DE3436826C2

Description

Elektrische Heizeinrichtung

Die Erfindung richtet sich auf eine elektrische Heizeinrichtung mit temperaturabhängiger Regelung durch mindestens einen flachen Kaltleiter mit PTC-Charakteristik, dessen beide Stirnseiten mit je einem Stromleiter kontaktiert sowie mit je 'einem Metallkörper wärmeleitend verbunden sind, wobei die Metallkörper ihrerseits in wärmeleitender Verbindung stehen.

Solche Heizeinrichtungen, die sich als Wärmeerzeuger und zugleich Regler Kaltleiterwiderstände bedienen, werden bereits zum Beheizen von Kraftfahrzeugspiegeln verwandt. Ihr Anwendungsbereich geht jedoch weit darüber hinaus. Kaltleiter eignen sich für diese Vorrichtungen insbesondere deshalb bevorzugt, weil sie eine außerordentlich flache, plättchenförmige Bauweise erhalten können. Sie bestehen aus einem Ferroelektrikum, dessen elektrischer Widerstand in einem bestimmten, von der jeweiligen Zusammensetzung abhängigen Temperaturbereich mit steigender Temperatur stark zunimmt, die also einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzen. Wird an den Kaltleiter Spannung gelegt, erzeugt er je nach seiner Ausgestaltung in kurzer Zeit eine beachtliche Temperatur, die nach beiden Seiten abgeführt werden muß. Erreicht diese Temperatur einen vorbestimmten Wert, so schaltet der Widerstand ab. Diesen Effekt macht man sich insbesondere bei Spiegelheizungen für Kraftfahrzeuge, aber auch bei anderen regelbar zu beheizenden Geräten zunutze. Von besonderer Bedeutung ist es in diesen Zusammenhang, die Temperatur beidseitig gleichmäßig abzuführen, um keinen durch einen einseitigen Wärmestau hervorgerufenen unerwünschten Regeleffekt zu erzielen. Besonders diese Problematik wird bei bestimmten

vorbekannten Heizeinrichtungen, die sich der Kaltleitertechnik bedienen, nicht ausreichend beachtet.

Dies gilt insbesondere für die Heizeinrichtung nach DE-PS 31 34 713, die auf einer zu beheizenden Blechplatte wenigstens zwei PTC-Widerstände in strom- und wärmeleitender Verbindung anordnet und die andere Seite der Heizwiderstände mit einer Strombrücke aus Metallblech versieht, die außer der elektrischen Kontaktierung auch der Wärmeleitung dient.

Die Strombrücke ist mit Hilfe eines elektrischen Isolierklebers auf die Rückseite der zu beheizenden Blechplatte aufgeklebt. Im Hinblick auf die durch die der Beheizung dienende Blechplatte zu übertragende Wärmeleistung ist bei dieser Konstruktion der Wärmeabführung an der entgegengesetzten Seite der Widerstände praktisch keine Aufmerksamkeit geschenkt worden. Die Strombrücke ist viel zu klein, um die entstehende Temperatur auch nur annähernd in einer der durch die Blechplatte erfolgenden Wärmeabführung entsprechenden Weise zu gewährleisten. Dadurch wird der von den PTC-Widerständen ausgehende Regeleffekt höchst nachteilig beeinflußt.

Ein weiteres Problem, das sich auch bei dieser vorbekannten Heizeinrichtung ergibt, besteht darin, daß die der Beheizung dienende Blechplatte einerseits und die Strombrücke andererseits unterschiedliche elektrische Potentiale annehmen, zwischen denen sich galvanische Strombrücken ausbilden. Die hier fließenden Ausgleichsströme führen beispielsweise bei der Verwendung solcher Heizeinrichtungen für Spiegel zu Abtragungen des Spiegel beiags und damit zu einem Erblinden des Spiegels.

Dieser letztgenannte Effekt kennzeichnet auch die Ausbildung eines elektrisch beheizbaren Spiegels nach DE-PS 29 19 968 insbesondere in dem Trennbereich zwischen den beiden Teilen des aus Blech bestehenden Heizbelags. Wenngleich bei dieser Ausführungsform die Wärmeableitung an beiden Seiten der Kaltleiter wesentlich gleichmäßiger erfolgen kann, beein-

trächtigt doch der verbleibende Luftspalt zwischen den beiden Teilen des Heizbelags die auf die Spiegelfläche zu übertragende Heizwirkung erheblich. Wie im vorgenannten Falle sind diese Vorrichtungen darüber hinaus in Konstruktion und Funktion auf das spezielle Anwendungsgebiet als Spiegelheizung einseitig abgestellt.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt., eine auf dem Grundprinzip dieser vorbekannten Heizeinrichtungen beruhende Vorrichtung mit wesentlich vergrößerter Anwendbarkeit zu schaffen, die den von den PTC-KaI ti ei tern ausgehenden Regeleffekt wesentlich gezielter und exakter anzuwenden gestattet und die vor allem die von den bei den bekannten Konstruktionen vorhandenen beiden Potentialen ausgehenden Ausgleichsströme mit Sicherheit vermeidet. Nach dem Grundgedanken der Erfindung soll deshalb bei einer elektrischen Heizeinrichtung der eingangs bezeichneten Art wenigstens der eine Metallkörper gegenüber dem Kaltleiter elektrisch isoliert sein. Dies hat zur Folge, daß durch die vorausgesetzte wärmeleitende Verbindung der beiden Metallkörper, die Metallplatten, Bleche od. dgl. sein oder auch eine andere Gestaltung aufweisen können, nur ein gemeinsames Potential aufweisen. Es bedarf keiner elektrischen Isolierung der beiden die Wärme von dem Kaltleiter abführenden Metallkörper gegeneinander. Es wird vielmehr eine besonders innige wärmeleitende Verbindung beider Metallkörper angestrebt, um auf diese Weise eine besonders intensive und an beiden Seiten der Kaltleiter möglichst gleichmäßige Wärmeabführung zu erreichen.

Diesem Gesichtspunkt trägt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besonders Rechnung, indem nämlich zwischen dem Kaltleiter und dem einen Metallkörper ein elektrischer Isolator hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist. In diesem Fall braucht lediglich einer der beiden Metallkörper zur Stromzuführung an den Kaltleiter herangezogen werden.

Ggf. kann man aber hierauf auch völlig verzichten. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als elektrischen Isolator für die Trennung von Kaltleiter und Metallkörper einen A^Oo-Körper heranzuziehen. Solche Isolierkörper können jede beliebige Gestalt, insbesondere auch Plattenform, annehmen, Sie zeichnen sich durch eine ebenso hohe Wärmeleitfähigkeit wie elektrische Isolationsbeständigkeit und mechanische Festigkeit aus.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Anordnung so zu treffen, daß die dem elektrischen Isolator zugekehrte Stirnseite des Kaltleiters mittels eines Metallbleches elektrisch kontaktiert ist, dessen Stromanschluß durch ein Fenster in demeinen Metallkörper hindurchgeführt ist. Für einen solchen Stromanschluß an dem plättchenförmigen Kaltleiter kommen Bleche hoher elektrischer Leitfähigkeit in Betracht, die extrem dünn gehalten werden können und damit auch die Bauform derartiger Heizeinrichtungen ebensowenig belasten,

wie die Wärmeabführung von dem Kait/eiterwiderstand zu dem Isolierkörper. Es ist durchaus möglich, daß der eine Metallkörper ein weiteres Fenster zum Hindurchführen des Stromanschlusses für den anderen Metallkörper aufweist. Die Stromanschlüsse in den Fenstern können durch einen Wärmeleitkleber od. dgl. isoliert sein.
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Dem Erfordernis der einwandfreien elektrischen Kontaktierung und der günstigsten Voraussetzungen für eine optimale Abführung der an beiden Seiten der Kaltleiter auftretenden Temperaturen genügt die Erfindung in der Weise, daß die elektrisch leitenden Flächen benachbarter Körper durch einen elektrischen Leitkleber, z.B. einen Silber-Leitkleber und die nur wärmeleitenden Flächen durch einen Wärmeleitkleber miteinander verbunden sind.

Um Kriechströme mit den damit verbundenen nachteiligen Folgen zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, daß bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung der elektrische Isolator

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den Kaltleiter und/oder das dazwisehen!iegende kontaktierende Metallblech randseitig überragt. Auf diese Weise werden große Stromwege als Vorbeugemaßnahme gegen das Entstehen von Ausgleichsströmen geschaffen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß nicht nur die eine Seite des Kaltleiters, vielmehr dessen beiden Stirnseiten durch je ein Metallblech kontaktiert sind und die Stromanschlüsse durch Fenster in einem oder beiden anliegenden Metallkörpern hindurchgefUhrt sind. Welche Ausführungsform der Vorzug gegeben wird, richtet sich ganz nach den Umständen des Einzelfalls. Diese Maßnahmen sind aber besonders geeignet, den vielfältigsten Anwendungsgebieten der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung Rechnung zu tragen. Außer flächigen Beheizungen z.B. von Spiegelflächen od. dgl. können derartige Einrichtungen auch in der Haushaitselektronik breiteste Anwendung finden, so z.B. bei Warmhalteplatten od. dgl. Sie eignen sich aber auch für den Frostschutz an Rohrleitungen und zur Anwendung bei gebräuchlichen Solarkollektoren. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise in Verbindung mit einem Radiator zum Vorwärmen von Motoren oder zur Gemischvorwärmung, wozu sie sichwegen ihrer hohen Leistungsfähigkeit besonders eignen. Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ist weiter als Stellmotor von Dehnstoffelementen bzw. zum Antrieb von mit solchen Elementen ausgestatteten Reglern verwendbar. Dies sind nur einige wenige konkrete Anwendungsbeispiele. Selbstverständlich kann auch die niederohmige Heizfunktion ebenso allein ausgenutzt werden, wie der Regel- und/oder Abschalteffekt der Kaltleiter.

Oe nach dem in Betracht kommenden Anwendungsgebiet können die beiden Metallkörper in an sich bekannter Weise platten- oder blechförmig ausgebildet sein. Es ist aber auch eine topfförmige Ausbildung der Metallkörper denkbar, die dann so UbereinandergestUlpt sind, daß sie an ihren Seitenwandüngen in wärmeleitendem Kontakt stehen und zwischen ihren Böden die Kaltleiteranordnung aufweisen. Wie groß die Anzahl der jeweils verwendeten Kaltleiter ist, bestimmt sich nach

den Umständen des Einzelfalls. Es kann ebenso ein einziger Kaltleiter Verwendung finden, wie eine Mehrzahl solcher Elemente.

Von besonderer Bedeutung im Rahmen der Erfindung ist der Gedanke, die Voraussetzungen dafür zu schaffen, daß die Wärmeableitung an beiden Seiten des/der Kaltleiter etwa gleich groS ist. In weiterer Ausgestaltung dieses allgemeinen Gedankens sieht die Erfindung vor, daß der über den elektrischen Isolator mit dem Kaltleiter verbundene Metallkörper ganz oder teilweise eine größere Dicke aufweist als der andere Metallkörper. Dies kann durch entsprechende Querschnittsgestaltung der verwendeten Metallkörper oder -platten ohne weiteres gelöst werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform in auseinandergezogener

Schnittdarstellung;
Fig. 2 die Ausführungsform nach Fig. 1 in zusammengebautem Zustand;

Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform wiederum in auseinandergezogener Darstellung.

Die Heizeinrichtung der Fig. 1 besteht aus einer Grundplatte 1 von hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise einem Kupferblech'. Diese weist an ihrem Seitenrand eine Steckerzunge 2 zum Anschluß eines Stromleiters auf. Auf dieser Grundplatte 1 ist ein plättchenförmiger Kaltleiter 3 mit PTC-Charakteristik angeordnet. Die untere Anschlußfläche 4 wird bei dieser Ausführungsform mit einer Schicht 5 eines Silberleitklebers elektrisch leitend mit der Grundplatte 1 verbunden. Die obere Anschlußfläche 6 des Kaltleiters 3

hingegen ist, wiederum durch eine elektrisch leitende Schicht 5 eines Klebers, mit einer Blechscheibe 7 hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit verbunden, z.B. einem Kupferblech, das seitlich eine Fahne 8 zum Anschluß eines Stromleiters aufweist. Ober diesem Metallblech 7 ist ein plattenförmiger elektrischer Isolator 9 von hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet und mittels einer Schicht 10 eines Wärmeleitklebers mit dem Kontaktblech 7 verbunden. Eine weitere Schicht 11 eines solchen Wärmeleitklebers dient der flächigen Verbindung zwischen dem elektrischen Isolator 9 und einem zweiten plattenförmigen Metallkörper 12, der wesentlich dicker ist als die Grundplatte 1 und eine Ausbauchung 13 aufweist, die, wie Fig. 2 erkennen läßt, in zusammengebautem Zustand die Bauelemente 3, 7, 9 zwischen den beiden Metallkörpern 1 und 12 derart aufnimmt, daß diese Metallkörper außerhalb der Ausbauchung 13 flächig aufeinanderliegen und mittels einer Schicht H eines Wärmeleitklebers miteinander verbunden werden können. Die beiden Fenster 15 und 16 in dem Metallkörper .12 dienen bei der Ausfführungsform nach Fig. 1 der Hindurchführung der Anschlußfahnen 2 bzw. 8.

Bei dieser Ausführungsform besteht ein elektrischer Potentialunterschied allenfalls zwischen Grundplatte 1 und dem Kontaktblech 7, nicht aber zwischen den beiden Metallkörpern 1 und 12, die beide das gleiche Potential aufweisen. Der randseitige überstand des Isolierkörpers 9 über das Kontaktblech 7 und den Kaltleiter 3 verhindert die Entstehung von Kriechströmen zwischen diesen Elementen und dem Metallkörper 12.

Die Fig. 2 zeigt die Ausführungsform nach Fig. 1 in zusammengebautem Zustand. Die durch das Fenster 15 in dem Metallkörper 12 hindurchgeführte Anschlußfahne 8 des Kontaktblechs ist in eine Isoliermasse 18, ggf. von dem Wärmeleitkleber, eingebettet.

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Die in Fig. 3 angedeutete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß auch die untere AnschiuSflache 4 des Kaltleiters 3 mit einem Metallblech 19 kontaktiert ist, dessen Anschlußfahne 20 durch ein entsprechendes Fenster des plattenförmigen Metal 1 körpers 12 hindurchgeführt wird. Dieses Kontaktblech ist mittels einer Schicht 21 eines Leitklebers mit dem Kaltleiter 3 und mittels einer Schicht 22 eines Wärmeleitklebers mit der Grundplatte 1 in analoger Weise verbunden, wie das Kontaktblech 7 mit der Anschlußfläche 6 des Kaltleiters 3 und dem elektrischen Isolator 9.

Aus Fig. 4 geht eine andere Konfiguration der Heizeinrichtung hervor, die die Vielgestaltigkeit der Variationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkennen läßt. Der Grundplatte 1 entspricht hier der topfförmige Metallkörper mit einem Fenster 26 zum Hindurchführen einer Anschlußfahne 20 eines zwischen dem Boden 28 des Metallkörper 25 und dem Kaltleiterwiderstand 3 angeordneten Kontaktblechs 19. An der entgegengesetzten Anschlußseite des Kaitleiterwiderstands 3 ist ein ebensolches Kontaktblech 7 mit seiner Anschlußfahne 8 angeordnet. Darüber folgt der elektrische Isolator 9, durch dessen Fenster 27 die Anschlußfahne 8 hindurchgeführt wird. Diese Anordnung wird von einem weiteren topfförmigen Metallkörper 29 übergriffen, dessen Seitenwandüngen 30 annähernd paßgenau über die Seitenwände 31 des anderen topfförmigen Grundkörpers 25 greifen. In diesem Bereich ist eine Verklebung mittels einer Schicht 32 eines Wörmeleitklebers ebenso vorgesehen, wie zwischen der Oberfläche 33 des elektrischen Isolators 9 und der Innenf1äche des Bodens 35 des äußeren Metallkörper 29, der wiederum ein Fenster 36 für den Durchtritt der Anschlußfahne 8 des Kontaktblechs 7 aufweist. Der Boden 35 dieses Metallkörper 29 ist von wesentlich größerer Dicke als der Boden 28 des Grundkörpers 25, um eine annähernd gleichmäßige Wärmeabführung an beiden Anschlußseiten 4 und 6 des PTC-Widerstands zu erreichen.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Heizeinrichtung mit temperaturabhängiger Regelung durch mindestens einen flachen Kaltleiter mit PTC-Charakteristik, dessen beide Stirnseiten mit je einem Stromleiter kontaktiert sowie mit je einem Metallkörper wärmeleitend verbunden sind, wobei die Metallkörper ihrerseits in wärmeleitender Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine Metallkörper (12,29) gegenüber dem Kaltleiter (3) elektrisch isoliert ist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kaltleiter (3) und dem einen Metallkörper (12,29) ein elektrischer Isolator (9) hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2_S dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Isolator (9) aus einem AKO^-Körper besteht.

4. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem elektrischen Isolator (9) zugekehrte Stirnseite (6) des Kaltleiters (3) mittels eines Metallblechs (7) elektrisch kontaktiert ist, dessen Stromanschlußfahne (8)'einFenster (15,36) in dem einen Metallkörper (12,29) hindurchgeführt ist.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4₃ dadurch gekennzeichnet, daß der eine Metallkörper (12) ein weiteres Fenster (16) zum Hindurchführen der Stromanschlußfahne für den anderen Metallkörper (1) aufweist.

6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Isolator (9) den KaItleiter (3) und/oder das dazwischenliegende kontaktierende Metallblech (7) randseitig überragt.

7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stirnseiten (4,6) des Kaltleiters (3) durch je ein Metallblech (7,19) kontaktiert sind und die Stromanschlußfahnen (8,20) durch Fenster in einem oder beiden anliegenden Metallkörpern (1,12; 25,29) hindurchgeführt sind.

8. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächen benachbarter Körper durch einen elektrischen Leitkleber, z.B. einen Silber-Leitkleber, und die nur wärmeleitenden Flächen durch einen Wärmeleitkleber miteinander verbunden sind.

9. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromanschlußfahnen (8,20) in den Fenstern durch einen Wärmeleitkleber isoliert sind.

10. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallkörper (1,12) in an sich bekannter Weise platten- oder blechförmig ausgebildet sind.

11. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallkörper (25,29) topf-

förmig ausgebildet und so übereinandergestülpt sind, daß sie an ihren Seitenwandungen (30,31) in wärmeleitendem Kontakt stehen und zwischen ihren Böden (28,35) die Kaltleiteranordnung aufweisen.
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12. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung an beiden Seiten (4,6) des/der Kaltleiter (3) etwa gleich groß ist.

13. Heizeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der über den elektrischen Isolator (9) mit Kaltleiter (3) verbundene Metallkörper (12,29) ganz oder teilweise eine größere Dicke aufweist als der andere Metallkörper(1,25).