WO2012025111A2 - Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung - Google Patents

Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2012025111A2
WO2012025111A2 PCT/DE2011/075184 DE2011075184W WO2012025111A2 WO 2012025111 A2 WO2012025111 A2 WO 2012025111A2 DE 2011075184 W DE2011075184 W DE 2011075184W WO 2012025111 A2 WO2012025111 A2 WO 2012025111A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
main surface
heating element
contacting layer
ptc heating
contacting
Prior art date
Application number
PCT/DE2011/075184
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012025111A3 (de
Inventor
Markus Renner
Nils Elm
Wolfgang Forsthuber
Michael Zeyen
Dietmar Bytzek
Original Assignee
Webasto Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto Ag filed Critical Webasto Ag
Priority to EP11767612.2A priority Critical patent/EP2609376A2/de
Priority to CN2011800409658A priority patent/CN103228998A/zh
Publication of WO2012025111A2 publication Critical patent/WO2012025111A2/de
Publication of WO2012025111A3 publication Critical patent/WO2012025111A3/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H1/2215—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant the heat being derived from electric heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H3/00—Air heaters
    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
    • F24H3/04—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element
    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
    • F24H3/0429—For vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
    • F24H9/1854—Arrangement or mounting of grates or heating means for air heaters
    • F24H9/1863—Arrangement or mounting of electric heating means
    • F24H9/1872—PTC
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material
    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle electrical heater having at least one ceramic PTC heater and a method of manufacturing such a vehicle electric heater.
  • Engine coolant and a liquid-to-air heat exchanger is transferred to a part of air, which is supplied to an interior to the conditioning.
  • PTC heating elements which have a resistance-temperature characteristic, which in the region of a working point show a steep rise in the electrical resistance with increasing temperature, are particularly frequently used.
  • This usually ceramic PTC heating elements have largely self-regulating properties that prevent excessive heating over predetermined limit temperatures due to the resistance-temperature characteristic.
  • the electrical resistance heating elements are conventionally arranged such that a component carrying electrical voltage is in direct contact with air, which is supplied to an interior of the vehicle.
  • Insulation with additional insulation layers often worsens the heat transfer coefficient for the heat extraction significantly, since more heat transfer resistances are formed. Furthermore, the problem arises that the electrical contacting of PTC heating elements may deteriorate due to, for example, thermal expansion processes of the PTC heating elements in operation.
  • the electric vehicle heating device comprises: at least one substantially plate-shaped ceramic PTC heating element having a first main surface and a second main surface opposite thereto; a metallic first contacting layer, which electrically contacts the first main surface over substantially the entire surface. advantage; a metallic second contacting layer electrically contacting the second major surface substantially over the entire area; an electrically insulating ceramic first insulation structure covering a side of the first contact layer facing away from the first main surface; and an electrically insulating, ceramic second insulation structure, which covers a side of the second contacting layer which is remote from the second main surface.
  • the PTC heating element, the first contacting layer, the second contacting layer, the first insulating structure and the second insulating structure are integrally connected to one another.
  • a ceramic PTC heating element is understood to be a ceramic heating element which, in a temperature range close to an operating point, has a resistance-temperature characteristic in which a large increase in the electrical resistance occurs with increasing temperature.
  • ceramic PTC heating elements based on BaTi0 3 are known.
  • Such ceramic PTC heating elements have a largely self-regulating behavior when a constant supply voltage is applied, since increasing heating causes an increase in the electrical resistance and thus decreases the electrical power consumption and thus also the heating power. As long as a lot of heat is removed from the PTC heating element, the electrical resistance remains relatively low and a lot of heating power is provided. However, if only little or no heating power is dissipated, the temperature of the PTC
  • substantially plate-shaped is understood to mean that the PTC heating element has two main surfaces which are opposite one another and which are significantly larger than the other surfaces of the PTC heating element
  • the main surfaces may, for example, be essentially planar or else curved, wavy, curved, etc.
  • "contacting substantially over the entire surface” involves contacting at least 60% of the respective main surface, preferably at least 80% Main surface, more preferably understood by 100% of the main surface.
  • the first main surface and the second main surface of the ceramic PTC heating element are used both for its electrical contacting and for the heat output. coupling from the PTC heating element and to the mechanical connection.
  • the electrical contacting is provided by the first contacting layer and the second contacting layer. Because of the first and second insulation structures, the main surfaces serving as heat extraction surfaces are electrically isolated from a medium to be heated when the medium to be heated is brought into direct contact with the first and second insulation structures.
  • the other regions of the electrical heating device, in particular the lateral surfaces, may also be formed electrically insulated from the medium to be heated.
  • the first and the second insulation structure Due to the electrical insulation by the first and the second insulation structure, a high degree of safety for vehicle occupants is provided even when operating the PTC heating element with a high supply voltage, for example from a high voltage electrical system. Since the PTC heating element, the first contacting layer, the second contacting layer, the first insulating structure and the second insulating structure substance are conclusively connected to each other, the heat transfer resistances in the heat extraction direction, ie perpendicular to the first and second major surface, minimized. Furthermore, a permanent reliable contacting of the PTC heating element via the first and the second contacting layer is ensured with this embodiment.
  • the first and the second insulation structure preferably have the highest possible thermal conductivity.
  • the vehicle heater is further provided as a compact and inexpensive assembly in which the electrical connections for the PTC element, the electrical insulation to the medium to be heated, and the PTC element to a component are firmly integrated.
  • the cohesive connection can be achieved, for example, by a soldering process, by melting or sintering of the material of the contacting layers, etc.
  • facing away from the PTC heating element free surfaces of the first insulation structure and the second insulation structure for heat transfer to a medium to be heated are formed.
  • the free surfaces can be designed, for example, for direct contact with air to be heated as an air heating device or with a liquid to be heated as a liquid heating device. It can also be formed directly on the free surfaces of a heat exchanger, for example of metal such as aluminum or an aluminum alloy.
  • the heat exchanger can be provided, for example, with a large free surface for heat transfer to the medium to be heated, for example in the form of ribs, fins, fins, etc. In this case, efficient removal of the heating heat from the PTC heating element with low heat transfer resistances is provided.
  • the vehicle electrical heating device is designed to heat air as a medium to be heated, i. as an air heater.
  • air heater e.g. directly air for conditioning a vehicle interior with the vehicle heater can be efficiently heated and it is even when operating with a high versor s voltage a high degree of safety for vehicle occupants provided.
  • the electric vehicle heating device for heating a liquid in a fluid circuit of a vehicle is designed as a medium to be heated, i. as a liquid heater.
  • the vehicle heater may be e.g. also in a cooling water circuit of an internal combustion engine or e.g. in a
  • the first insulation structure and the second insulation structure are formed substantially plate-shaped and rigid.
  • a stable vehicle heater is provided with a permanent integration with a component.
  • the first contacting layer and the second contacting layer each have at least one connection section projecting laterally beyond the PTC heating element. It can be provided, for example, that the respective insulation structure and the contacting layer protrude beyond the PTC heating element. Under the side becomes a direction perpendicular to the heat extraction direction, ie parallel to the first and second main surface, understood.
  • the vehicle electrical heater is designed for operation with an electrical supply voltage greater than 100 volts.
  • the electric vehicle heating device can be designed in particular for operation with the electrical supply voltage in a high voltage electrical system of an electric or hybrid vehicle.
  • the high-voltage on-board electrical system can be efficiently used for electric vehicle heating, so that neither high current flows nor costly voltage transformers have to be used for heating.
  • the method of manufacturing a vehicle electrical heater comprises the steps of: providing a substantially plate-shaped ceramic PTC heater having a first major surface and a second major surface opposite thereto; Providing an electrically insulating, ceramic first insulation structure; Providing an electrically insulating, ceramic second insulation structure; integrally bonding the first insulation structure to the first main surface of the PTC heating element to form a metallic first contact layer electrically contacting the first main surface substantially over the entire area between the first insulation structure and the first main surface; and integrally bonding the second insulation structure to the second main surface of the PTC heating element to form a metallic second contacting layer that electrically contacts the second main surface substantially full-surface electrically, between the second insulation structure and the second main surface.
  • the method achieves the advantages already described above with respect to the vehicle electric heater.
  • the cohesive connection of the individual components of the vehicle heating device can be effected, for example, by the fact that between the PTC heating element and the first and second Insulation structure is introduced in each case a metallic contacting layer. It is possible, for example, to bring the PTC heating element, the first insulation structure and the second insulation structure to a desired distance and to introduce the material of the metallic contacting layers in the molten state into a gap formed, and there to form the material connection to both To solidify PTC heating element and the respective insulation structure. However, this requires a sufficiently low melting point of the material of the metallic contacting layers ahead.
  • the material for the metallic contacting layer can also be previously applied to either the main surfaces of the PTC heating element or each of the PTC heating element facing surface of the insulation structure or both, so that the cohesive connection, for example by soldering, sintering or melting of the material metallic contacting layer can be formed.
  • the material of the respective metallic contacting layer forms a cohesive connection with the corresponding main surface of the PTC heating element and with the corresponding surface of the insulating structure.
  • the materially coherent bonding takes place by sintering, melting or soldering the material of the metallic contacting layers. This may preferably be done under vacuum to prevent the formation of trapped air. In this case, a solid integral connection with high thermal conductivity and low heat transfer resistance is formed in a particularly simple manner.
  • the first electrical contacting layer is formed by a metallic layer formed on the first insulating structure and / or the first main surface of the PTC heating element
  • the second contacting layer is formed by a metallic layer formed on the second insulating structure and / or the second main surface of the PTC heating element Layer formed.
  • the respective contacting layer can thus already be formed on the insulating structure or the respective main surface of the PTC heating element before the PTC heating element is joined to the corresponding insulating structure.
  • a part of the contacting layer can also be formed both on the main surface of the PTC heating element and the corresponding surface of the insulating structure facing it, and these two parts can then be connected to one another in a materially bonded manner.
  • FIG. 1 shows schematically a side view of an electric vehicle heating device according to an embodiment.
  • FIG. 2 schematically shows a further side view of the electric vehicle heating device of FIG. 1.
  • FIG. 2 schematically shows a further side view of the electric vehicle heating device of FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically shows a plan view of the vehicle heater of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a possible manufacturing method.
  • FIGS. 1 to 3 show an electric vehicle heater 1 in three different views.
  • the vehicle heating device 1 has a substantially plate-shaped ceramic PTC heating element 2.
  • the PTC heating element 2 has a temperature-resistance characteristic in which a strong increase of the electrical resistance with temperature occurs in a temperature range around an operating point.
  • the PTC heating element 2 may e.g. BaTiCV based, e.g. also be formed with suitable dopants.
  • the PTC heating element 2 is designed plate-shaped in that it has a large extent in a plane and in relation to a relatively small thickness.
  • the PTC heating element 2 has a first main surface 2a and a second main surface 2b opposite thereto. The first main surface 2a and the second main surface 2b are formed by the two opposite largest surfaces of the PTC heating element 2.
  • a metallic first contacting layer 4 is formed on the first main surface 2a of the PTC heating element 2, a metallic first contacting layer 4 is formed.
  • the metallic first contacting layer 4 completely covers the first main surface 2a in the illustrated embodiment, that is, it covers the entire surface of the main surface 2a.
  • the first contacting layer 4 extends such that it projects laterally beyond the PTC heating element 2 on at least one side (on the right in FIG. 1).
  • the protruding portion forms a terminal portion 4a.
  • the connection section 4a is designed to receive the first contact layer 4 with an electrical power supply or with a contacting layer to connect another electric vehicle heater.
  • the terminal portion 4a protrudes along the entire side of the PTC heater 2 in the illustrated embodiment, it is also possible that it protrudes only in a short portion.
  • a metallic second contacting layer 3 is formed in an analogous manner.
  • the metallic second contacting layer 3 completely covers the second main surface 2b in the illustrated embodiment, i. it covers the entire surface of the main surface 2b.
  • the second contacting layer 3 extends such that it projects laterally beyond the PTC heating element 2 on at least one side (on the left in FIG. 1).
  • the projecting portion forms another terminal portion 3a.
  • the connection section 3a is designed to connect the second contacting layer 3 to an electrical power supply or to a contacting layer of an adjacent, further electric vehicle heating device.
  • the further terminal portion 3a is disposed on the opposite side of the PTC heater 2 to the terminal portion 4a.
  • the terminal portions 3a and 4a may be e.g. be connected via contact plates with the electrical power supply.
  • the connection section 3a can also protrude only in a lateral subregion of the PTC heating element 2.
  • an electrically insulating, ceramic first insulation structure 5 is formed on the side facing away from the PTC heating element 2 surface of the first contacting layer 4.
  • the first insulation structure 5 covers the corresponding surface of the first contacting layer 4 over the entire surface, in particular also the connection section 4 a.
  • an electrically insulating, ceramic second insulation structure 6 is formed on the surface of the second contacting layer 3 facing away from the PTC heating element 2.
  • the second insulation structure 6 covers the corresponding surface of the second contacting layer 3 over its entire area, in particular also the further connection section 3 a.
  • the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6 are also formed substantially plate-shaped and rigid.
  • the PTC heating element 2, the first contacting layer 4, the second contacting layer 3, the first insulating structure 5 and the second insulating structure 6 are firmly bonded to one another in a materially bonded manner. Due to the cohesive connection, heat transfer resistances in a heat extraction direction that extends perpendicular to the first main surface 2a and the second main surface 2b are minimized by the PTC heating element 2 via the respective contacting layer 4 or 3 and the respective insulation structure 5 and 6, respectively. Further, in this way, a firm and permanent contact of the first main surface 2a and the second main surface 2b is provided substantially over the entire surface thereof. In this case, lowest electrical contact resistances are achieved and a micro-migration of the PTC heating element 2 due to thermal expansion processes is reliably prevented.
  • a supply voltage is applied to the PTC heating element 2 via the first contacting layer 4 and the second contacting layer 3. Due to the substantially full-area contacting of the first main surface 2a and the second main surface 2b, the formation of a uniform potential gradient over the entire cross section of the PTC heating element 2 is favored. Due to the resulting current flow through the PTC heating element 2, this heats up with the release of ohmic heat. The released heat is decoupled from the PTC heating element 2 on the one hand via the first contacting layer 4 and the first insulating structure 5 and on the other hand via the second contacting layer 3 and the second insulating structure 6.
  • This heating power is then structure on the free surfaces of the first Isoherungs structure 5 and the second insulation structure 6 transferred to a medium to be heated.
  • This transmission may e.g. be effected by the medium to be heated, e.g. Air for a vehicle interior or fluid in one
  • Liquid circuit of the vehicle is brought into direct contact with the surfaces of the first insulating structure 5 and the second insulating structure 6.
  • the surface of the insulation structures 5 and 6 may also be formed enlarged, in particular ribbed, corrugated or otherwise structured to allow improved heat transfer.
  • it can also be applied, for example, on the free surfaces of the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6, a preferably metallic heat exchanger, for example of aluminum or an aluminum alloy, via which the heat is transferred to the medium to be heated.
  • a single electric for example, it is also possible, for example, to interconnect a plurality of such vehicle heating devices to one another to a heating system.
  • the peripheral sides of the vehicle heater 1 are electrically insulated from the medium to be heated by means of electrical insulation (not shown). This can e.g. by a suitable coating of the side surfaces, by a frame made of an insulating material, in which the vehicle heating device 1 is accommodated, or the like. It can e.g. Also, a plurality of vehicle heaters 1 may be accommodated in a common such frame.
  • the vehicle heating device 1 is preferably designed for operation with a supply voltage greater than 100 volts, in particular for operation with the voltage in a high voltage electrical system of an electric or hybrid vehicle.
  • the PTC heating element 2 an electrically insulating, ceramic first insulating structure 5 and an electrically insulating, ceramic second insulating structure 6 are connected to each other.
  • the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6 are each already provided with the metallic material for the metallic see first contacting layer 4 and the metallic second contacting layer 3, as shown schematically in Fig. 4.
  • the metallic material is already materially connected to the material of the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6.
  • the PTC heating element 2, the coated first insulation structure 5 and the coated second insulation structure 6 are then joined together. Subsequently, the metallic material is e.g.
  • the PTC heating element 2 by sintering or by melting cohesively connected to the PTC heating element 2, so that the first contacting layer 4 and the second contacting layer 3 are formed.
  • the PTC heating element 2, the first contacting layer 4, the second contacting layer 5, the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6 are materially interconnected.
  • the PTC heating element 2 is already coated on both main surfaces 2 a and 2 b with the metallic material for the first contacting layer 4 and the second contacting layer 3.
  • an uncoated first insulation structure 5 and an uncoated second insulation structure 6 are applied.
  • the metallic material for example by sintering or by melting cohesively to form the contacting layers 4 and 3 with the respective insulation structure 5 and 6 respectively.
  • the PTC heating element 2, the first contacting layer 4, the second contacting layer 3, the first insulation structure 5 and the second insulation structure 6 materially connected to each other.
  • both the PTC heating element 2 and the two insulation structures 5 and 6 must be previously provided with the metallic material for the contacting layers and joined together.
  • the first contacting layer 4 and the second contacting layer 3 may in this case be formed in each case from the coating of the PTC heating element 2 and the coating of the facing insulation structure 5 and 6, respectively.
  • the PTC heating element 2 and the two insulating structures 5 and 6 are first arranged at predetermined distances from one another such that the gap required for the contacting layers 4 and 3 remains free. Subsequently, the metallic material for the contacting layers 4 and 3 is e.g. molten introduced into the respective gap.
  • All described method steps for forming the substance-coherent connection can preferably be carried out under vacuum in order to prevent the formation of air bubbles at the connection point.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung (1) bereitgestellt, mit: zumindest einem, im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten keramischen PTC-Heizelement (2), das eine erste Hauptoberfläche (2a) und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (2b) aufweist; einer metallischen ersten Kontaktierungsschicht (4), die die erste Hauptoberfläche (2a) im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert; einer metallischen zweiten Kontaktierungsschicht (3), die die zweite Hauptoberfläche (2b) im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert; einer elektrisch isolierenden, keramischen ersten Isolierungsstruktur (5), die eine von der ersten Hauptoberfläche (2a) abgewandte Seite der ersten Kontaktierungsschicht (4) bedeckt; und einer elektrisch isolierenden, keramischen zweiten Isolierungsstruktur (6), die eine von der zweiten Hauptoberfläche (2b) abgewandte Seite der zweiten Kontaktierungsschicht (3) bedeckt. Das PTC-Heizelement (2), die erste Kontaktierungsschicht (4), die zweite Kontaktierungsschicht (3), die erste Isolierungsstruktur (5) und die zweite Isolierungsstruktur (6) sind stoffschlüssig miteinander verbunden.

Description

Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung mit zumindest einem keramischen PTC-Heizelement und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung.
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.
Insbesondere aufgrund der Entwicklung von immer verbrauchsoptimierteren kraftstoffbetrie- benen 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 Verbren- nungsmotor aufweisen, statt. Auch bei diesen Fahrzeugen stellen die Antriebskomponenten zumindest bei vielen Betriebszuständen keine ausreichende Wärme zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums bereit.
Als Heizvorrichtungen zur Beheizung von Fahrzeuginnenräumen können brennstoffbetriebe- ne 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. 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 elekt- rischen 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 zusätzli- chen Isolationsschichten verschlechtert oftmals den Wärmedurchgangskoeffizienten für die Wärmeauskopplung deutlich, da vermehrt Wärmeübergangs widerstände 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.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung bereitzustellen, bei denen ein Betrieb von PTC-Heizelementen mit einem Hochspannungsbordnetz bei einem hohen Maß an Insassensicherheit ermöglicht ist und gleichzeitig eine beständige Kontaktie- rang des PTC-Heizelements und eine gute Wärmeauskopplung von dem PTC-Heizelement erreicht werden.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Ansprach 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung weist auf: zumindest ein, im Wesentlichen platten- förmig ausgebildetes keramisches PTC-Heizelement, das eine erste Hauptoberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche aufweist; eine metallische erste Kontaktie- rungs schicht, die die erste Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontak- tiert; eine metallische zweite Kontaktierangs Schicht, 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 Kontak- tierungs schicht bedeckt; und eine elektrisch isolierende, keramische zweite Isolierungsstruk- tur, die eine von der zweiten Hauptoberfläche abgewandte Seite der zweiten Kontaktierungs- schicht bedeckt. Das PTC-Heizelement, die erste Kontaktierungsschicht, die zweite Kontak- tierungs schicht, die erste Isolierungs struktur und die zweite Isolierungsstruktur sind stoffschlüssig miteinander verbunden. 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 BaTi03 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 Kon- taktierung von zumindest 60 % der jeweiligen Hauptoberfläche, bevorzugt zumindest 80 % der Hauptoberfläche, mehr bevorzugt von 100 % der Hauptoberfläche verstanden.
Die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche des keramischen PTC- Heizelements dienen sowohl zu dessen elektrischer Kontaktierung als auch zur Wärmeaus- kopplung aus dem PTC-Heizelement und zur mechanischen Verbindung. Die elektrische Kontaktierung wird durch die erste Kontaktierungsschicht und die zweite Kontaktierungs- schicht 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 Isolierungs struktur Stoff schlüssig miteinander verbunden sind, sind die Wärmeübergangswiderstände in der Wärmeauskopplungsrichtung, d.h. senk- recht 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 Isolierungs struktur weisen dabei bevorzugt eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung sind Wanderbewegungen des PTC-Heizelements aufgrund von abwechseln- den 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 Kon- taktanpresskräfte 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. 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 er- wärmenden 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.
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 Vers orgung s Spannung ein hohes Maß an Sicherheit für Fahrzeuginsassen bereitgestellt.
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 Sicher- heit gewährleistet. Gemäß einer Ausgestaltung sind die erste Isolierungsstruktur und die zweite Isolierungs struktur im Wesentlichen plattenförmig und biegesteif ausgebildet. In diesem Fall ist eine stabile Fahrzeug-Heizvorrichtung mit einer dauerhaften Integration zu einem Bauteil bereitgestellt. 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 Kontak- tierung mit einer elektrischen Leistungsversorgung ermöglicht, ohne die Wärmeauskopplung aus dem PTC -Heizelement nachteilig zu beeinflussen. 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.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Fahrzeug- Heizvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängi- gen Ansprüchen angegeben.
Das 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 Isolierungs struktur mit der ersten Hauptoberfläche des PTC-Heizelements unter Ausbildung einer metallischen ersten Kontak- tierungs schicht, die die erste Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontak- tiert, 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 Kontaktierungs schicht, die die zweite Hauptoberfläche im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert, zwischen der zweiten Isolierungs struktur und der zweiten Hauptoberfläche. Mit dem Verfahren werden die oben bereits in Bezug auf die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung beschriebenen Vorteile erzielt.
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 Isolierungs struktur und die zweite Isolierungsstruktur auf einen gewünschten Abstand zu bringen und das Material der metallischen Kon- taktierungsschichten 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 Kontaktierungs schichten 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 entspre- chenden Oberfläche der Isolierungs struktur aus.
Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das stoff schlüssige 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 die- sem Fall wird in besonders einfacher Weise eine feste stoffschlüssige Verbindung mit hoher thermischer Leitfähigkeit und geringen Wärmeübergangswiderständen ausgebildet.
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 Hauptoberflä- che 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. Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung ge- mäß einer Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Seitenansicht der elektrischen Fahrzeug- Heizvorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Fahrzeug-Heizvorrichtung von Fig. 1.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines möglichen Herstellungsverfah- rens.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform unter Bezug auf die Fig. 1 bis Fig. 3 beschrieben. Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 in drei verschiedenen Ansichten.
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 BaTiCVBasis, 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 Haupt- Oberfläche 2b werden durch die beiden einander gegenüberliegenden größten Flächen des PTC-Heizelements 2 gebildet.
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 Fig. 1). Der hervorstehende Bereich bildet einen Anschlussabschnitt 4a. Der Anschlussabschnitt 4a ist dazu ausgebildet, die erste Kontak- tierungs schicht 4 mit einer elektrischen Leistungsversorgung oder mit einer Kontaktierungs- schicht 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 Ab- schnitt hervorsteht.
Auf der zweiten Hauptoberfläche 2b des PTC-Heizelements 2 ist in analoger Weise eine metallische zweite Kontaktierungsschicht 3 ausgebildet. Die metallische zweite Kontaktierungs- schicht 3 bedeckt die zweite Hauptoberfläche 2b bei der dargestellten Ausführungsform voll- flächig, 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 Fig. 1). Der hervorstehende Bereich bildet einen weiteren Anschlussabschnitt 3a. Der Anschlussabschnitt 3a ist dazu ausgebildet, die zweite Kontaktierungsschicht 3 mit einer elektrischen Leistungsversor- gung 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 Anschluss- abschnitt 3a kann auch nur in einem seitlichen Teilbereich des PTC-Heizelements 2 hervorstehen.
Auf der von dem PTC-Heizelement 2 abgewandten Oberfläche der ersten Kontaktierungsschicht 4 ist eine elektrisch isolierende, keramische erste Isolierungs struktur 5 ausgebildet. Die erste Isolierungs struktur 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 Kontaktie- rungsschicht 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. Das PTC-Heizelement 2, die erste Kontaktierungsschicht 4, die zweite Kontaktierungsschicht 3, die erste Isolierungsstruktur 5 und die zweite Isoherungs struktur 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.
Im Betrieb der elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 wird über die erste Kontaktierungsschicht 4 und die zweite Kontaktierungsschicht 3 eine Versorgungs Spannung 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 Isoherungs struktur 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 elekt- rische Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 verwendet werden, es ist z.B. aber auch möglich, mehrere derartige Fahrzeug-Heizvorrichtungen miteinander zu einem Heizsystem zu verschalten.
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 .
Ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung 1 wird im Folgen- den unter Bezugnahme auf Fig. 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 Isolierungs struktur 6 jeweils bereits mit dem metallischen Material für die metalli- sehe erste Kontaktierungs Schicht 4 bzw. die metallische zweite Kontaktierungsschicht 3 versehen, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Das metallische Material ist dabei bereits stoff schlüssig 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. Anschlie- ßend 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 Isolierungs struktur 5 und die zweite Isolierungsstruktur 6 stoff schlüssig miteinander verbunden.
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 Kontaktierungs Schicht 4, die zweite Kontaktierungsschicht 3, die erste Isolierungs struktur 5 und die zweite Isolierungs struktur 6 stoff schlüssig miteinander verbunden.
Als weitere Möglichkeit können z.B. sowohl das PTC-Heizelement 2 als auch die beiden Iso- lierungs strukturen 5 und 6 zuvor bereits mit dem metallischen Material für die Kontaktierungsschichten versehen sein und zusammengefügt werden. Durch z.B. einen Sinter-, Lötoder 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.
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.
Sämtliche beschriebenen Verfahrens schritte zur Ausbildung der Stoff schlüssigen Verbindung können bevorzugt unter Vakuum durchgeführt werden, um die Ausbildung von Lufteinschlüssen an der Verbindungsstelle zu verhindern.
Obwohl einige mögliche Herstellungsverfahren beschrieben wurden, sind auch weitere Herstellungsverfahren möglich, mit denen die stoff schlüssige Verbindung zwischen dem PTC- Heizelement 2, den Kontaktierungsschichten 3 und 4 und den Isolierungsstrukturen 5 und 6 bereitgestellt werden können.

Claims

Patentansprüche
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung (1), mit:
zumindest einem, im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten keramischen PTC- Heizelement (2), das eine erste Hauptoberfläche (2a) und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (2b) aufweist;
einer metallischen ersten Kontaktierungsschicht (4), die die erste Hauptoberfläche (2a) im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert;
einer metallischen zweiten Kontaktierungsschicht (3), die die zweite Hauptoberfläche (2b) im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert;
einer elektrisch isolierenden, keramischen ersten Isolierungsstruktur (5), die eine von der ersten Hauptoberfläche (2a) abgewandte Seite der ersten Kontaktierungsschicht (4) bedeckt; und
einer elektrisch isolierenden, keramischen zweiten Isoherungs struktur (6), die eine von der zweiten Hauptoberfläche (2b) abgewandte Seite der zweiten Kontaktierungsschicht (3) bedeckt,
wobei das PTC-Heizelement (2), die erste Kontaktierungsschicht (4), die zweite Kontaktierungsschicht (3), die erste Isoherungs struktur (5) und die zweite Isolierungsstruktur (6) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem PTC-Heizelement (2) abgewandte freie Oberflächen der ersten Isolierungsstruktur (5) und der zweiten Isolierungsstruktur (6) zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet sind.
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung (1) zum Beheizen von Luft als zu erwärmendes Medium ausgebildet ist.
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung (1) zum Beheizen einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs als zu erwärmendes Medium ausgebildet ist.
5. Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isoherungs struktur (5) und die zweite Isolierungsstruktur (6) im Wesentlichen plattenförmig und biegesteif ausgebildet sind.
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktierungsschicht (4) und die zweite Kon- taktierungs schicht (3) jeweils zumindest einen seitlich über das PTC-Heizelement (2) herausstehenden Anschlussabschnitt (3a, 4a) aufweisen.
Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung (1) für einen Betrieb mit einer elektrischen Versorgungs Spannung größer als 100 Volt ausgelegt ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Fahrzeug-Heizvorrichtung mit den Schrit- ten:
Bereitstellen eines im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten keramischen PTC- Heizelements (2), das eine erste Hauptoberfläche (2a) und eine dieser gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (2b) aufweist;
Bereitstellen einer elektrisch isolierenden, keramischen ersten Isolierungsstruktur (5); Bereitstellen einer elektrisch isolierenden, keramischen zweiten Isolierungsstruktur
(6);
stoff schlüssiges Verbinden der ersten Isoherungs struktur (5) mit der ersten Hauptober- fläche (2a) des PTC-Heizelements (2) unter Ausbildung einer metallischen ersten Kontaktierungsschicht (4), die die erste Hauptoberfläche (2a) im Wesentlichen vollflä- chig elektrisch kontaktiert, zwischen der ersten Isolierungsstruktur (5) und der ersten
Hauptoberfläche (2a); und
stoff schlüssiges Verbinden der zweiten Isolierungsstruktur (6) mit der zweiten Hauptoberfläche (2b) des PTC-Heizelements (2) unter Ausbildung einer metallischen zweiten Kontaktierungsschicht (3), die die zweite Hauptoberfläche (2b) im Wesentlichen vollflächig elektrisch kontaktiert, zwischen der zweiten Isoherungs struktur (6) und der zweiten Hauptoberfläche (2b). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das stoff schlüssige Verbinden durch Sintern, Aufschmelzen oder Verlöten des Materials der metallischen Kon- taktierungs schichten (4, 3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Kontaktierungsschicht (4) durch zumindest eine auf der ersten Isolierungsstruktur (5) und/oder der ersten Hauptoberfläche (2a) des PTC-Heizelements (2) ausgebildete metallische Schicht gebildet wird und die zweite Kontaktierungsschicht (3) durch zumindest eine auf der zweiten Isolierungsstruktur (6) und/oder der zweiten Hauptoberfläche (2b) des PTC-Heizelements (2) ausgebildete metallische Schicht gebildet wird.
PCT/DE2011/075184 2010-08-24 2011-08-02 Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung WO2012025111A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11767612.2A EP2609376A2 (de) 2010-08-24 2011-08-02 Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung
CN2011800409658A CN103228998A (zh) 2010-08-24 2011-08-02 车辆电加热装置

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010037132.7 2010-08-24
DEDE102010037132.7 2010-08-24
DE102010037132A DE102010037132A1 (de) 2010-08-24 2010-08-24 Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2012025111A2 true WO2012025111A2 (de) 2012-03-01
WO2012025111A3 WO2012025111A3 (de) 2012-04-26

Family

ID=44785069

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2011/075184 WO2012025111A2 (de) 2010-08-24 2011-08-02 Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP2609376A2 (de)
CN (1) CN103228998A (de)
DE (2) DE102010037132A1 (de)
WO (1) WO2012025111A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220044850A1 (en) * 2020-08-04 2022-02-10 Eberspächer catem Hermsdorf GmbH & Co. KG Process for manufacturing a ptc heating element and ptc heating element
CN114071810A (zh) * 2020-08-04 2022-02-18 埃贝斯佩歇凯特姆有限责任两合公司 用于制造ptc加热元件的方法和ptc加热元件

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014110164B4 (de) * 2014-05-02 2022-11-03 Borgwarner Ludwigsburg Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Heizstabs
DE102017106711A1 (de) * 2017-03-29 2018-10-04 Dbk David + Baader Gmbh Hochvolt-Luftheizer und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102017121063A1 (de) * 2017-05-24 2018-11-29 Webasto SE Heizleiter sowie Heizgerät
KR102405738B1 (ko) 2017-06-30 2022-06-07 항저우 산후아 리서치 인스티튜트 컴퍼니 리미티드 전기 히터
CN109210768B (zh) * 2017-06-30 2021-02-19 杭州三花研究院有限公司 电加热器
DE102018106296A1 (de) 2018-03-19 2019-09-19 Borgwarner Ludwigsburg Gmbh Heizvorrichtung
EP3789692A1 (de) 2019-09-04 2021-03-10 Mahle International GmbH Heizelement, heizvorrichtung und kraftfahrzeug
DE102019217453A1 (de) * 2019-11-12 2021-05-12 Eberspächer Catem Gmbh & Co. Kg PTC-Heizzelle
DE102020202508A1 (de) 2020-02-27 2021-09-02 Eberspächer catem Hermsdorf GmbH & Co. KG PTC Heizeinrichtung
EP3930423B1 (de) * 2020-06-22 2023-10-11 Mahle International GmbH Heizmodul für eine heizvorrichtung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0899985B1 (de) * 1997-08-29 2005-03-16 David & Baader DBK Spezialfabrik elektrischer Apparate und Heizwiderstände GmbH Durchlauferhitzer
WO2003020542A1 (fr) * 2001-09-03 2003-03-13 Japan Climate Systems Corporation Conditionneur d'air de vehicule automobile
CN201021291Y (zh) * 2007-02-25 2008-02-13 南车四方机车车辆股份有限公司 铁路车辆电加热装置
EP2190258A1 (de) * 2008-11-20 2010-05-26 Behr France Rouffach SAS Wärmeübertrager

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220044850A1 (en) * 2020-08-04 2022-02-10 Eberspächer catem Hermsdorf GmbH & Co. KG Process for manufacturing a ptc heating element and ptc heating element
CN114071810A (zh) * 2020-08-04 2022-02-18 埃贝斯佩歇凯特姆有限责任两合公司 用于制造ptc加热元件的方法和ptc加热元件

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012025111A3 (de) 2012-04-26
DE102010037132A1 (de) 2012-03-01
DE202011110647U1 (de) 2015-07-02
EP2609376A2 (de) 2013-07-03
CN103228998A (zh) 2013-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012025111A2 (de) Elektrische fahrzeug-heizvorrichtung
EP2724086B1 (de) Wärmeübertrager
EP2211590B1 (de) Wärmeübertrager
DE4433814B4 (de) Kraftfahrzeug
EP2792211B1 (de) Elektrisch betreibbares heizgerät
EP2752084B1 (de) Elektrische heizeinheit, heizvorrichtung für ein fahrzeug und verfahren zur herstellung einer heizeinheit
DE102019208130A1 (de) PTC-Heizelement und eine elektrische Heizvorrichtung
EP1874572A1 (de) Elektrischer zuheizer für eine heizungs- oder klimaanlage eines kraftfahrzeugs
DE102011057108A1 (de) Elektrische Fahrzeugheizvorrichtung mit Wärmeabschirmung
DE102014219852A1 (de) Thermoelektrischer Generator, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
EP1926346A1 (de) Elektrische Heizungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
DE102011000116A1 (de) Elektrische Fahrzeugheizvorrichtung
EP2346304B1 (de) Wärmeübertrager
EP2276321A1 (de) Wärmeübertrager
EP1445553B1 (de) Vorrichtung zum Austausch von Wärme
EP2109347B1 (de) Elektrische Vorrichtung zum Heizen insbesondere eines Kraftfahrzeuges
DE102018207037A1 (de) Elektrische Heizeinrichtung mit einem eine Rippenstruktur aufweisenden Kühlkörper
DE102016206250A1 (de) Elektrische Heizeinrichtung für einen Versorgungstank eines Fahrzeugs, Verfahren
DE102019209615A1 (de) Heizvorrichtung
EP3417673B1 (de) Wärmetauschersystem
DE102011050390A1 (de) Elektrische Fahrzeug-Heizvorrichtung
WO2021259764A1 (de) Elektrische heizvorrichtung
EP3125646B1 (de) Elektrische heizvorrichtung
DE102010061550B4 (de) Elektrische Fahrzeugheizvorrichtung
DE102013201582A1 (de) Kühlvorrichtung für eine Batterieeinheit, Batterieeinheit sowie Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung für eine Batterieeinheit

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11767612

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011767612

Country of ref document: EP