WO2005039242A1 - Heizungsanordnung mit ptc-element, insbesondere für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Heizungsanordnung mit ptc-element, insbesondere für ein kraftfahrzeug Download PDF

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adhesive
ohm
electrical resistance
ptc
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Michel Brun
Christophe Schmittheisler
Pascal Miss
Maxime Mundel
Mathieu Mougey
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/50—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material heating conductor arranged in metal tubes, the radiating surface having heat-conducting fins

Definitions

  • the invention relates to a heating arrangement with a PTC element, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • a heating arrangement with a PTC element for passenger vehicles is known, an additional heater having a radiator through which heating air flows during operation and having at least one air outlet opening in the foot area of a passenger compartment, to which the heating air is conducted.
  • the radiator is designed as an electrical PTC element which is arranged directly at the air outlet opening in the foot area.
  • a PTC element in the form of a plurality of heating honeycombs is arranged in a plastic frame, which is not described in detail and which surrounds the air outlet opening.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Contact plates are conventionally attached to PTC elements by means of an adhesive, using - depending on the application - insulating adhesives with a specific electrical resistance of more than 10,000 ohm x cm, or conductive adhesives with a specific electrical resistance of less than 10 ohm x cm , Such connections between the contact plate and the PTC element still leave something to be desired.
  • the PTC element being arranged between contact plates which serve for the electrical connection, the contact plates and the PTC element being connected by means of an adhesive which has a specific electrical resistance of at least 50 ohm.cm and a maximum of 500 ohm.cm. , preferably of a minimum of 80 Ohm x cm and a maximum of 150 Ohm x cm, in particular of 100 Ohm x cm +/- 10%.
  • the heating and safety aspects are taken into account at the same time if an adhesive with a certain specific electrical resistance, in particular an adhesive with a specific electrical resistance of 50 to 500 ohm ⁇ cm, is selected, the PTC elements being electrically connected with contact plates conductive adhesive.
  • the specific electrical resistance must be selected so that, on the one hand, the risk of a short circuit between the contact plates is avoided.
  • the specific electrical resistance must be selected so that in the event of damage to the heating arrangement in As a result of aging, the adhesive layer can have a forced relaxation, as a result of which there is no longer any direct contact between the PTC element and the contact plates, but in this case the adhesive layer has sufficient electrical conductivity to maintain the heating function.
  • the adhesive layer has an additional electrical resistance and shows an acceptable heating output.
  • the advantage of the invention is that, in this case, the heating function is not disturbed.
  • the above range for specific electrical resistance has been found to be the most suitable.
  • the layer thickness of the adhesive between the PTC element and a contact plate before forced relaxation is preferably negligible and, after forced relaxation, is a maximum of 0.02 ⁇ m, in particular 0.01 ⁇ m +/- 10%.
  • solder instead of an adhesive, a solder with a corresponding specific electrical resistance can also be used.
  • FIG. 1 is a view of a heating arrangement according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged section through the heating arrangement of FIG. 1 along the line II-II in Fig. 1,
  • FIG. 3 shows a section along the line III-II in FIG. 2
  • FIG. 4 shows an illustration corresponding to FIG. 2 after a forced relaxation
  • 5 shows an electrical equivalent diagram which illustrates the resistances
  • FIG. 6 shows an equivalent diagram corresponding to FIG. 5 which illustrates the resistors after forced relaxation.
  • one PTC element 2 is glued between two contact plates 3 (positive pole) and 4 (negative pole) arranged parallel to one another, in the present case by means of a
  • Adhesive 5 which has a specific electrical resistance of about 100 ohms x cm.
  • Corrugated ribs 6 are attached to each of the sides of the contact plates 3 and 4 opposite the PTC element 2 by means of a corresponding adhesive connection, and another contact plate 3 and 4 are attached to these, likewise again with a corresponding adhesive connection a plastic frame 7 is arranged around it.
  • the direction of flow of the air in FIG. 1 is in the viewing direction.
  • the length of a PTC element 2 is denoted by L, in the present case 035 mm, the width of the PTC element 2 by I, in the present case 8 mm, and the thickness of the PTC element 2 by e, in the present case 1.4 mm.
  • the average thickness of the adhesive layer between the surface of the PTC element 2 and a contact plate 3 or 4 is denoted by eta, in the present case 0.01 ⁇ m.
  • the width of the adhesive around the PTC element 2 between the contact plates 3 and 4 is denoted by s and in the present case is 1 mm.
  • the voltage between the contact plates 3 and 4 is designated U and, according to the present exemplary embodiment, is 13 V, but can also be greater, for example 48 V.
  • the specific electrical resistance of the adhesive 5 is denoted by Rhoxi eb , the resistance of the PTC element 2 by RPTC, the resistance of the adhesive layer between PTC element 2 and contact plate 3 or 4 by
  • the performance of the PTC element 2 is referred to as P PT c, the performance of the adhesive 5 between the contact plates 3 and 4 as P b , the performance of the PTC element 2 in conjunction with the adhesive 5 without forced relaxation with P ieben + PTC without Forced relaxation, the performance of the PTC element 2 in conjunction with the adhesive 5 with forced relaxation with P ⁇ i just + PT C after
  • the resistance R Kieb of the adhesive 5 between the PTC element and a contact plate 3 or 4 or the resistance R of the adhesive 5 surrounding the PTC element 2 results as follows:
  • FIGS. 5 and 6 Replacement diagrams for the circuits of the resistors are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the ratio PPT C P b should be chosen as large as possible. Furthermore, however, the ratio VOn P «live + PTC without forced relaxation P ⁇ ieben + PTC after forced relaxation voltage as close as possible to 1.
  • the ratio of P PT c / P b is in particular between approximately 4 and 40 and the ratio of P ⁇ i ebe n + PT C without

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung mit mindestens einem PTC-Element, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das PTC-Element (2) zwischen Kontaktblechen (3, 4) angeordnet ist die der elektrischen Anbindung dienen, wobei die Kontaktbleche (3, 4) und das PTC-Element (2) mittels eines Klebstoffes (5) verbunden sind, wobei der Klebstoff (5) einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 50 Ohm x cm und maximal 500 Ohm x aufweist. Alternativ kann anstelle des Klebstoffs (5) auch ein Lot verwendet werden.

Description

Heizungsanordnung mit PTC-Element, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Heizungsanordnung mit einem PTC-Element, ins- besondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 101 44 757 A1 ist eine Heizungsanordnung mit einem PTC- Element für Personenfahrzeuge bekannt, wobei eine Zusatzheizung mit einem Heizkörper, der im Betrieb der Zusatzheizung von Heizluft durchströmt wird, und mit mindestens einer Luftaustrittsöffnung im Fußbereich eines Fahrgastraumes versehen ist, zu der die Heizluft geleitet wird. Um auf flexible Weise eine vertikale Temperaturschichtung im Fahrgastraum erzeugen zu können, die insbesondere auch an Sitzen im Fond als angenehm empfunden wird, ist der Heizkörper als ein elektrisches PTC-Element gestaltet, welches unmittelbar an der Luftaustrittsöffnung im Fußbereich angeordnet ist. Ein derartiger Zuheizer lässt noch Wünsche offen. Gemäß einem offenbarten Ausführungsbeispiel ist ein PTC-Element in Gestalt mehrerer Heizwaben in einem nicht näher beschriebenen Kunststoff-Rahmen angeordnet, der die Luftaustrittsöffnung einfasst.
BESTATIGUNGSKOPIE Die Anbringung von Kontakblechen an PTC-Elementen erfolgt herkömmlicherweise mittels eines Klebstoffs, wobei - je nach Einsatzfall - isolierende Klebstoffe mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von über 10000 Ohm x cm, oder leitende Klebstoffe mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von unter 10 Ohm x cm verwendet werden. Derartige Verbindungen zwischen Kontakblech und PTC-Element lassen noch Wünsche offen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Heizungsanordnung mit PTC- Element zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Heizungsanordnung mit einem PTC- Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Heizungsanordnung mit mindestens einem PTC-
Element vorgesehen, wobei das PTC-Element zwischen Kontaktblechen angeordnet ist, die der elektrischen Anbindung dienen, wobei die Kontaktbleche und das PTC-Element mittels eines Klebstoffes verbunden sind, der einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 50 Ohm x cm und maximal 500 Ohm x cm, vorzugsweise von minimal 80 Ohm x cm und maximal 150 Ohm x cm, insbesondere von 100 Ohm x cm +/- 10%, aufweist.
Die Heizungs- und Sicherheitsaspekte werden gleichzeitig berücksichtigt, wenn ein Klebstoff mit einem gewissen spezifischen elektrischen Wider- stand, insbesondere ein Klebstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 50 bis 500 Ohm x cm, gewählt wird, wobei die PTC-Elemente mit Kontaktblechen durch diesen elektrisch leitenden Klebstoff verbunden werden. Dabei ist der spezifische elektrische Widerstand so zu wählen, dass zum Einen das Risiko eines Kurzschlusses zwischen den Kontakblechen vermieden wird. Zum Anderen ist der spezifische elektrische Widerstand so zu wählen, dass im Falle einer Beschädigung der Heizungsanordnung in Folge von Alterung die Klebstoffschicht eine Zwangentspannung haben kann, wodurch es keinen direkt Kontakt mehr zwischen dem PTC-Element und den Kontaktblechen gibt, jedoch für diesen Fall die Klebstoffschicht eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, um die Heizfunktion aufrecht zu erhalten. Dabei hat die Klebstoffschicht einen zusätzlichen elektrischen Widerstand und zeigt eine annehmbare Heizleistung. Vorteil der Erfindung ist dass, in diesem Fall die Heizfunktion nicht gestört wird. Der o.g. Bereich für den spezifischen elektrischen Widerstand hat sich als am besten geeignet herausgestellt.
Bevorzugt ist die Schichtdicke des Klebstoffs zwischen dem PTC-Element und einem Kontakblech vor einer Zwangsentspannung vernachlässigbar und beträgt nach einer Zwangentspannung maximal 0,02 μm, insbesondere 0,01 μm +/- 10%.
Anstelle von einem Klebstoff kann auch ein Lot mit einem entsprechenden spezifischen elektrischen Widerstand verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Heizungsanordnung, Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch die Heizungsanordnung von Fig. 1 entlang der Linie ll-ll in Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie lll-l ll in Fig. 2, Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung nach einer Zwangsentspannung, Fig. 5 ein elektrisches Ersatzschaubild, das die Widerstände verdeutlicht, und Fig. 6 ein Fig. 5 entsprechendes Ersatzschaubild, das die Widerstände nach einer Zwangsentspannung verdeutlicht.
Bei PTC-Heizungsanordnung 1 mit Keramik-PTC-Elementen ist jeweils ein PTC-Element 2 zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Kontakt- blechen 3 (Pluspol) und 4 (Minuspol) eingeklebt, vorliegend mittels eines
Klebstoffes 5, der einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 100 Ohm x cm hat. Auf den jeweils dem PTC-Element 2 gegenüberliegenden Seiten der Kontaktbleche 3 und 4 sind mittels einer entsprechenden Klebe- Verbindung Wellrippen 6 angebracht und an diesen, ebenfalls wiederum mit einer entsprechenden Klebe-Verbindung je ein weiteres Kontaktblech 3 und 4. Um die zuvor beschriebene Anordnung herum ist ein Kunststoff-Rahmen 7 angeordnet. Die Strömungsrichtung der Luft liegt bei Fig. 1 in Blickrichtung.
Im Folgenden wird die Länge eines PTC-Elements 2 mit L, vorliegend 035 mm, die Breite des PTC-Elements 2 mit I, vorliegend 8 mm, und die Dicke des PTC-Elements 2 mit e, vorliegend 1 ,4 mm, bezeichnet. Die durchschnittliche Dicke der Klebstoffschicht zwischen der Oberfläche des PTC-Elements 2 und einem Kontaktblech 3 oder 4 mit eta, vorliegend 0,01 μm, bezeichnet. Die Breite des Klebstoffes um das PTC-Element 2 zwischen den Kontaktble- chen 3 und 4 wird mit s bezeichnet und beträgt vorliegend 1 mm.
Die Spannung zwischen den Kontaktblechen 3 und 4 wird mit U bezeichnet und beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 13 V, kann jedoch auch größer sein, bspw. 48 V. Der spezifische elektrische Widerstand des Klebstoffs 5 wird mit Rhoxieb bezeichnet, der Widerstand des PTC-Elements 2 mit RPTC, der Widerstand der Klebstoffschicht zwischen PTC-Element 2 und Kontaktblech 3 oder 4 mit
RKIeb-
Die Leistung des PTC-Elements 2 wird mit PPTc bezeichnet, die Leistung des Klebstoffes 5 zwischen den Kontaktblechen 3 und 4 mit Pb, die Leistung des PTC-Elements 2 in Verbindung mit dem Klebstoff 5 ohne Zwangsentspannung mit P ieben + PTC ohne Zwangentspannung, die Leistung des PTC-Elements 2 in Verbindung mit dem Klebstoff 5 mit Zwangsentspannung mit Pκieben + PTC nach
Zwangentspannung, die Gesamtleistung mit Pgesamt-
Hierbei ergibt sich der Widerstand Rκieb des Klebstoffs 5 zwischen dem PTC- Element und einem Kontaktblech 3 oder 4 bzw. der Widerstand R des das PTC-Element 2 umgebenden Klebstoffes 5 wie folgt:
(1) Rκieb = Rnoκieb x eta / (L x l) (2) Rb = RhoKieb x e / (2(L+I) x s)
Ersatzschaubilder für die Schaltungen der Widerstände sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
Die Leistung P«leben + PTC ohne Zwangeπtspannung ergibt Sich bZW. die Leistung Pκieben + PTC nach Zwangentspannung UTC
(3) Pκieben + PTC ohne Zwangentspannung = U / RpTC (4) Pκieben + PTC nach Zwangentspannung = U2 / (2Rκieb + RPTC)
Um einen optimalen Wirkungsgrad des PTC-Elements 2 zu bewirken, sollte das Verhältnis PPTC Pb möglichst groß gewählt werden. Ferner sollte jedoch das Verhältnis VOn P«leben + PTC ohne Zwangentspannung Pκieben + PTC nach Zwangentspan- nung möglichst nahe bei 1 liegen. Dabei liegt das Verhältnis von PPTc/ Pb insbesondere zwischen ca. 4 und 40 und das Verhältnis von Pκieben + PTC ohne
Zwangentspannung ' Pκieben -*■ PTC nach Zwangentspannung Zwischen Ca. 1 ,2 Und 1 ,02.
Bezugszeichenliste
Heizungsanordnung PTC-Element Kontaktblech Kontaktblech Klebstoff Wellrippe Kunststoff-Rahmen

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Heizungsanordnung mit mindestens einem PTC-Element, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das PTC-Element (2) zwischen Kontaktblechen (3, 4) angeordnet ist, die der elektrischen Anbindung dienen, wobei die Kontaktbleche (3, 4) und das PTC-Element (2) mittels eines Klebstoffes (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleb- stoff (5) einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 50 Ohm x cm und maximal 500 Ohm x cm aufweist.
2. Heizungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (5) einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 80 Ohm x cm und maximal 150 Ohm x cm, insbesondere von 100 Ohm x cm +/- 10%o aufweist.
3. Heizungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Klebstoffs (5) zwischen dem PTC-Element (2) und einem Kontaktblech (3, 4) vor einer Zwangsentspannung vernachlässigbar ist und nach einer Zwangentspannung maximal 0,02 μm, insbesondere 0,01 μm +/- 10%, beträgt.
4. Heizungsanordnung mit mindestens einem PTC-Element, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das PTC-Element (2) zwischen Kontaktblechen (3, 4) angeordnet ist, die der elektrischen Anbindung dienen, wobei die Kontaktbleche (3, 4) und das PTC-Element (2) mittels eines Lots verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 50 Ohm x cm und maximal 500 Ohm x cm aufweist.
5. Heizungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 80 Ohm x cm und maximal 150 Ohm x cm, insbesondere von 100 Ohm x cm +/- 10% aufweist.
6. Heizungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des Lots zwischen dem PTC-Element (2) und einem Kontaktblech (3, 4) vor einer Zwangsentspannung vernachlässigbar ist und nach einer Zwangentspannung maximal 0,02 μm, insbesondere 0,01 μm +/- 10%, beträgt.
7. Klebstoff oder Lot für eine Verbindung zwischen einem keramischen PTC-Element (2) und einem elektrisch leitenden Kontakblech (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (5) beziehungsweise das Lot einen spezifischen elektrischen Widerstand von minimal 50 Ohm x cm und maximal 500 Ohm x cm aufweist.
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