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DE102019205848A1 - PTC-Heizelement und elektrische Heizvorrichtung mit einem solchen PTC-Heizelement und Verfahren zur Herstellung eines PTC-Heizelementes - Google Patents

PTC-Heizelement und elektrische Heizvorrichtung mit einem solchen PTC-Heizelement und Verfahren zur Herstellung eines PTC-Heizelementes Download PDF

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DE102019205848A1
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ptc heating
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Kurt Walz
Michael Niederer
Rüdiger Freitag
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Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Original Assignee
Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft PTC-Heizelement (22) für eine elektrische Heizvorrichtung, eine elektrische Heizvorrichtung mit einem solchen PTC-Heizelement (22) und ein Verfahren zu Herstellung des PTC-Heizelements (22). Das PTC-Heizelement (22) hat ein Gehäuse (72), das zumindest ein PTC-Element (30), elektrisch mit dem PTC-Element (30) verbundene Leiterbahnen (38) und wärmeleitend gegen das PTC-Element (30) anliegende Isolierlagen (34) als Einheit fügt und von Kontaktzungen (42) überragt ist, die zur Bestromung des PTC-Elementes (30) mit unterschiedlicher Polarität mit den Leiterbahnen (38) elektrisch leitend verbunden sind. Zur Verbesserung der Dichtigkeit wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen ein Tiefziehteil (72), das einen das PTC-Element (30), die Leiterbahnen (40) und die Isolierlagen (38) aufnehmenden Aufnahmeraum (78) ausbildet, vorzusehen. Die elektrische Heizvorrichtung hat zumindest ein in einer Zirkulationskammer (14) angeordnetes erfindungsgemäßes PTC-Heizelement (22). Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Gehäuse als Tiefziehteil (72) ausgebildet wird. Sodann werden das PTC-Element (30), die Leiterbahnen (38) und die Isolierlagen (34) durch eine Öffnung (74) des Tiefziehteils (72) in den Aufnahmeraum (78) eingebracht und schließlich wird das Tiefziehteil (72) durch auf Randbereiche des Tiefziehteils (72) einwirkende Umformkräfte umgeformt, sodass einander gegenüberliegende Innenflächen des Tiefziehteils (72) gegen die Isolierlagen (34) angelegt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein PTC-Heizelement für eine elektrische Heizvorrichtung. Das erfindungsgemäße PTC-Heizelement hat ein Gehäuse, das zumindest ein PTC-Element, elektrisch mit dem PTC-Element verbundene Leiterbahnen und wärmeleitend gegen das PTC-Element anliegende Isolierlagen als Einheit fügt und von den Kontaktzungen überragt ist, die zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind.
  • Ein solches PTC-Heizelement ist beispielsweise aus EP 2 190 256 A1 bekannt. Dieses PTC-Heizelement hat einen Rahmen, der den Rahmen durchsetzende Rahmenöffnungen aufweist, in denen jeweils zumindest ein PTC-Element aufgenommen ist, welches beidseitig mit die Leiterbahnen ausbildenden Kontaktblechen versehen ist. Auf der dem PTC-Element gegenüberliegenden Seite liegt eine Isolierlage an. Diese Elemente sind mit einem Klebstoff umspritzt, wodurch die den Leistungsstrom führenden Komponenten des PTC-Heizelements gegenüber der Außenseite des PTC-Heizelementes eingesiegelt sein sollen.
  • Ein ähnliches, längliches PTC-Heizelement offenbart die EP 2 724 086 B1 , bei welchem die zuvor erwähnten, eine Heizzelle ausbildenden Komponenten, nämlich das PTC-Element und die beidseitig daran anliegenden Leiterbahnen in Form von Kontaktblechen unter Zwischenlage einer Isolierlage in einem Flachrohr aufgenommen sind.
  • Diese beiden vorbekannten Vorschläge für ein PTC-Heizelement haben den Nachteil, dass die Rohre einseitig verschlossen werden müssen, wodurch die PTC-Heizelemente in der Länge stärker aufbauen als nötig. Solche als Rechteck-, Rund- oder Oval-Rohre ausgebildete Gehäuse werden üblicherweise durch Laser- oder Elektronenschweißen endseitig verschlossen. Dieser zusätzliche Prozess verteuert die Herstellung ist PTC-Elementes.
  • Darüber hinaus benötigt die aus EP 2 190 256 A1 vorbekannte Lösung eine Vielzahl von Teilen, um das PTC-Element und die stromführenden Leiterbahnen gegenüber der Umgebung abzudichten. An den Phasengrenzen zwischen den einzelnen Komponenten kann es zu Undichtigkeiten kommen, was die elektrische Sicherheit gefährdet.
  • Entsprechendes gilt für die aus EP 2 428 746 A1 bekannte Lösung, bei welcher das PTC-Element in einem rohrförmigen Blech aufgenommen ist, das durch ein stirnseitig geschlossenes Blechprofil ausgeformt ist. Die dazu vorgeschlagene Umbördelung der in einer Querschnittsansicht des PTC-Heizelementes freien Enden des Blechs kann ebenso wenig die notwendige Dichtigkeit gewährleisten.
  • Die vorliegende Anmelderin hat mit DE 10 2017 209 990 A1 ein PTC-Heizelement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei welchem die stromführenden Teile in keramischen Schalen angeordnet und eingesiegelt sind. Auch hier kann es an der Fuge zwischen den beiden Schalenelementen zu Undichtigkeiten kommen. Die Herstellung des vorbekannten PTC-Heizelement ist darüber hinaus verhältnismäßig aufwendig.
  • Entsprechendes gilt für die aus EP 3 334 242 A1 vorbekannten Lösung, bei welcher das PTC-Element und die als Leiterbahnen elektrisch leitend daran anliegenden Kontaktbleche zusammen mit einer außenseitig vorgesehenen Isolierung mit einem die Isolierung freilassenden Kunststoffrahmen umspritzt werden. Zusätzlich zu der aufwändigen Fertigung hat diese Lösung den Nachteil, dass zwischen dem Rahmen und der Oberfläche der Isolierlage das zu erwärmende Medium zu den stromführenden Teilen gelangen kann. Eine vollständige Abdichtung der stromführenden Teile innerhalb des Gehäuses bedarf einer besonders genauen Verfahrensführung und Überprüfung der hergestellten PTC-Heizelemente.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein PTC-Heizelement der oben genannten Art anzugeben, das sich kostengünstig herstellen lässt und einen guten Wärmeaustrag der durch das PTC-Element erzeugten Wärme erlaubt.
  • Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung ein Tiefziehteil vorgeschlagen, welches Element des Gehäuses ist und einen Aufnahmeraum ausbildet, der zur Aufnahme des PTC-Elementes, der Leiterbahnen und der Isolierlagen angepasst ausgebildet ist. Dieser Aufnahmeraum wird durch das Tiefziehteil gebildet, wobei das Tiefziehteil bereits nach der Umformbearbeitung im Rahmen des Tiefziehens unterseitig verschlossen ist. So hat das Tiefziehteil eine topfförmige, unterseitig verschlossene Ausgestaltung und ist lediglich einseitig offen. An dieser Seite überragen die Kontaktzungen das Gehäuse, sodass das PTC-Element an dieser Seite elektrisch angeschlossen werden kann.
  • Soweit bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung auf das Tiefziehen abgestellt wird, ist darunter auch das Fließpressen als Synonym zu verstehen. Das mittels Tiefziehen hergestellte Gehäuse wird jedenfalls aus einem Blech durch Umformen gebildet. Dabei wirken eine Matrize und ein Stempel zusammen, wobei der Stempel durch Eindringen in das Blechmaterial dieses vor sich hertreibt. Das Blechmaterial geleitet von der Matrize ab und folgt der Bewegung des Stempels. Am Ende wird ein topförmiges Bauteil erhalten, welches unterseitig geschlossen ist. Das Bauteil besteht aus einem metallischen Blech, sodass die den Aufnahmeraum begrenzenden Wandungen aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind. Das Blech kann beispielsweise ein Kupferblech oder ein Aluminiumblech sein.
  • Vorzugsweise weist das Gehäuse zumindest eine durch das Tiefziehteil ausgebildete Verstärkung auf, die zumindest zwei von PTC-Element, Leiterbahn und Isolierlage unter Vorspannung in dem Gehäuse gegeneinander anlegt hält. Üblicherweise sind das PTC-Element, die Leiterbahnen und die außenseitig vorgesehenen Isolierlagen als parallele Schichten in dem Aufnahmeraum aufgenommen. Die Isolierlagen können einteilig ausgebildet beispielsweise durch Umschlagen einer Folie, die über eine untere Falz zwei Isolierlagen miteinander verbindet. Als unten wird vorliegend derjenige Bereich des PTC-Elementes bezeichnet, der nahe an dem geschlossenen Ende des Tiefziehteils vorgesehen ist. Das geschlossene Ende ist regelmäßig dasjenige Ende, das beim Tiefziehen in Bewegungsrichtung des Stempels vor dem Stempel vorgesehen ist.
  • Die Verstärkung an dem Tiefziehteil kann durch eine mittels Tiefziehen hergestellte Versteifungsrippe oder eine ballige Ausgestaltung von gegenüberliegenden Hauptseitenwänden des Tiefziehteils oder Teilen dieser Wände ausgeformt sein. Die Weiterbildung schlägt jedenfalls vor, die für die gute Wärmeauskopplung zu bevorzugende enge Anlage von PTC-Element, Leiterbahnen und Isolierlagen durch eine durch das Tiefziehteil begründete Vorspannkraft zu verbessern oder zu gewährleisten. Selbstverständlich können die zuvor erwähnten Teile im Rahmen einer Vormontage zunächst verklebt werden. Dabei werden das PTC-Element und die Leiterbahnen üblicherweise unter Druck ausgehärtet, sodass diese Lagen möglichst eng aneinander angelegt gehalten sind, bis der Kleber ausgehärtet ist. Entsprechendes gilt für die Isolierlagen. So wird jedenfalls durch die Vorspannung erreicht, dass das Gehäuse außenseitig gegen die Isolierlage unter Vorspannung anliegt, wobei die Vorspannung auch bei einer vorherigen Verklebung an die Phasengrenze zu der Leiterbahn und/oder dem PTC-Element weitergegeben wird.
  • Die Leiterbahn kann elektrisch kontaktierend und mit der Hauptseitenfläche des PTC-Elements verbunden sein. Es kann sich bei der Leiterbahn um ein durchgehendes Metallblech handeln. Die Leiterbahn kann auch durch eine mit Durchbrechungen versehene Metallstruktur ausgebildet sein, beispielsweise ein Metallgitter, ein Streckmetall oder ein Metallgewebe. Die Leiterbahnen können ganz oder teilweise elektrisch leitend gegen Stirnseitenflächen des PTC-Elementes angelegt sein. In diesem Fall sind die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes üblicherweise kaum oder gar nicht mit der Leiterbahn belegt. So muss die Wärmeauskopplung über die Hauptseitenfläche auch nicht durch die Leiterbahn hindurch erfolgen.
  • Als Hauptseitenfläche des PTC-Elementes wird üblicherweise die größte Fläche des PTC-Elementes verstanden. PTC-Elemente sind üblicherweise quader- bzw. plättchenförmig. Ein die Hauptseitenflächen umlaufender Rand hat üblicherweise eine Höhe von weniger als einem Zehntel der Länge bzw. der Breite des PTC-Elementes, wobei Breite und Länge die Hauptseitenfläche aufspannen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat das erfindungsgemäße PTC-Heizelement eine elektrisch mit dem Tiefziehteil verbundene Masseanschlusszunge. Diese Masseanschlusszunge kann in einer Richtung parallel zu der Erstreckungsrichtung der Kontaktzungen von dem Gehäuse abragen. Die Masseanschlusszunge dient dem elektrischen Anschluss des Gehäuses an einen Massepool. Des Weiteren kann das Gehäuse gegenüberliegend zu den Kontaktzungen eine Halterippe aufweisen. Diese Halterippe ist an dem Tiefziehteil üblicherweise durch das Tiefziehen ausgebildet. So bedarf das Gehäuse nach dem Tiefziehen keiner Nachbearbeitung zur Ausbildung der entsprechenden Halterippe. Die Halterippe ist üblicherweise vorgesehen, um das Gehäuse in einem Heizgehäuse zu positionieren, das dafür an seinem Bogen eine zur Aufnahme der Halterippe angepasst ausgebildete Aufnahme aufweist, wie dies grundsätzlich aus EP 3 334 242 A1 für ein anderes Beispiel eines PTC-Heizelementes bekannt ist. Sofern das Heizergehäuse elektrisch leitende Eigenschaften hat bzw. zumindest einen elektrisch leitenden Boden ausbildet, kann über die Halterippe ein elektrischer Anschluss des aus Blech geformten Gehäuses des erfindungsgemäßen PTC-Heizelementes ist erfolgen. So wird das PTC-Heizelement mit seinem Gehäuse über den Boden des Heizergehäuses auf Masse gelegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße PTC-Heizelement ein Dichtungselement aus einem weichelastischen Kunststoff auf, das eine Öffnung des Tiefziehteils abdichtet und von den Kontaktzungen überragt ist. Diese Dichtung wird dabei üblicherweise als Labyrinthdichtung ausgeformt. Dieses Dichtungselement besteht z.B. aus einem weichelastischen Kunststoff wie beispielsweise Silikon oder TPE.
  • Das Tiefziehteil formt üblicherweise einen Kragen aus, der umfänglich von einer Labyrinthdichtung des Dichtungselementes umgeben wird. Dieser Kragen führt im Bereich der Dichtung zu einer gewissen Versteifung, sodass das Dichtungselement mit guter Einpresskraft in eine weibliche Steckkontaktaufnahme eines Heizergehäuses eingesetzt werden kann, welches eine Anschlusskammer zum elektrischen Anschluss des PTC-Elementes und eine Zirkulationskammer aufweist, die über eine Trennwand des Heizergehäuses voneinander fluiddicht getrennt sind. So ergibt sich eine gute Dichtigkeit im Bereich der weiblichen Steckelementaufnahme. Darüber hinaus kann das PTC-Heizelement durch die Steckkontaktierung in der Trennwand positioniert und zumindest vorläufig zu Montagezwecken gehalten werden.
  • Im Hinblick auf einen Toleranzausgleich und zur verbesserten Abdichtung innerhalb der weiblichen Steckkontaktaufnahme wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass das Dichtungselement das Tiefziehteil in Längserstreckungsrichtung der Kontaktzungen überragt. Beim Einstecken in die weibliche Steckelementaufnahme des Heizergehäuses kann dementsprechend das Dichtungselement in Einsteckrichtung komprimiert werden, sodass sich das Dichtungselement in der weiblichen Steckelementaufnahme ausdehnt und diese möglichst vollständig ausfüllt, wodurch die Dichtigkeit verbessert wird.
  • Insbesondere auch zur Widerlagerung dieser Kompressionsbewegung des Dichtungselementes weist das Tiefziehteil gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung einen Halterand auf. Gegen diesen Halterand liegt das Dichtungselement an. Der Halterand ist üblicherweise durch das Tiefziehteil selbst ausgebildet und demnach Ergebnis einer Umformung des Blechmaterials beim Tiefziehen des Gehäuses.
  • Vorzugsweise hat das PCT-Heizelement ein Durchführungssegment aus einem elektrisch isolierenden Material, welches nach Art eines Stopfens in ein freies, von den Kontaktzungen durchragtes Ende des Tiefziehteils eingesetzt ist und Durchführkanäle für die Kontaktzungen ausbildet. Durch dieses Durchführungssegment erhalten die Kontaktzungen eine seitliche Führung in dem Bereich, in denen sie über das Tiefziehteil hinaus verlängern sind. Darüber hinaus verhindert das Durchführungssegment einen unmittelbaren elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktzungen und dem Tiefziehteil, sodass die Isolierung des elektrisch leitenden Gehäuses nicht beeinträchtigt wird. Das Durchführungssegment ist vorzugsweise einteilig mit einem Rahmen ausgebildet, der das PTC-Element zumindest teilumfänglich, üblicherweise vollumfänglich umgibt. Der Rahmen bildet üblicherweise eine Aufnahmeöffnung für das zumindest eine PTC Element aus, die durch das PTC-Element vollumfänglich umgebende Rahmenholme gebildet ist, die üblicherweise als dünne Stege zwischen dem PTC-Element und der Innenwandung des Tiefziehteils angeordnet sind.
  • Das Durchführungssegment kann einteilig mit den zuvor erwähnten Rahmen ausgeformt sein und Halbschalen für die Führung der Kontaktzungen ausformen, in denen nach Aufsetzen eines das Durchführungssegment komplettierenden Durchführungssegment-Deckels die Kontaktzungen umfänglich geführt, gehalten und isoliert aufgenommen sind. Die Verbindung zwischen dem Rahmen und dem Durchführungssegment-Deckel erfolgt dabei üblicherweise durch Warmverstemmen von Zapfen, die in den Kontaktzungen ausgesparte Bohrungen durchsetzen, sodass auch die Kontaktzungen und die daran befestigten Leiterbahnen vorpositioniert sind. Dabei sind die Leiterbahnen bevorzugt aus Blech als Kontaktbleche ausgebildet. Sie weisen üblicherweise an ihrem unteren Ende Formschlusselemente auf, die durch Stanzen und Biegen aus dem Blechmaterial gebildet und in Aufnahmen im Eingriff sind, die durch den Rahmen, insbesondere durch den unseren Querholm des Rahmens geformt sind. So kann durch den Rahmen eine vormontierte Baugruppe erzeugt werden, die den Rahmen, das Durchführungssegment sowie die beiden Kontaktbleche und das bzw. die dazwischen vorgesehenen PTC-Elemente zu einer Einheit fügt. Das Durchführungssegment besteht dabei aus dem rahmenseitig vorgesehenen Durchführungssegment und dem Durchführungssegment-Deckel.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Aufnahmeraum in einer Querschnittsansicht durch zwei sich gegenüberliegende, regelmäßig parallel zueinander ausgerichtete und das PTC-Element überdeckende Innenflächen und Höhlungen begrenzt, die sich an die Innenflächen anschließen und von den Längsrändern des Tiefziehteils umgegeben sind. Die Höhlungen haben einen Durchmesser, der größer als der Abstand der Innenflächen ist. Diese Vorgabe bezieht sich auf das fertige Erzeugnis wie auch das Tiefziehteil vor dem Umformen, bei dem die zunächst einen Freiraum zum Einbringen der Isolierlage zusammen mit den Leiterbahnen und dem PTC-Element freilassenden Innenflächen aufeinander zu bewegt werden, um sich unter Vorspannung gegen die Außenflächen der Isolierlage anzulegen. Das bzw. die PTC-Elemente in dem Aufnahmeraum sind von den Innenflächen überdeckt. So deckt die Innenfläche des Tiefziehteils die Hauptseitenfläche des PTC-Elementes ab und kann diese bevorzugt lediglich geringfügig überragen. Die spezielle Ausgestaltung des Aufnahmeraumes erleichtert das elastische Anliegen der Innenflächen gegen die Außenflächen der Isolierlagen. Denn üblicherweise erfolgt die Umformung im Bereich der Höhlungen, d.h. durch eine ausschließlich gegen die Längsränder des Tiefziehteils wirkende Umformungskraft. Als Durchmesser ist aber nicht notwendigerweise nur das Innenmaß einer im Querschnitt kreisförmigen bzw. kreissegmentförmigen Höhlung zu verstehen. Die Höhlung kann auch andere Gestaltungen haben. Sie kann eine ovale oder polygonale Querschnittsform aufweisen. Wesentlich ist vor allem, dass die Abmessung der Höhlung in Richtung des Abstandes zwischen den Innenflächen größer als dieser Abstand ist. Im Rahmen der Umformung wird üblicherweise dieser Bereich umgeformt, um die Innenflächen mit einer gewissen Vorspannung gegen die Isolierlagen anzulegen.
  • Gemäß ihrem nebengeordneten Anspruch schlägt die vorliegende Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung mit zumindest einem in einer Zirkulationskammer angeordneten PTC-Element der vorstehend beschriebenen Art vor, wobei die von dem Gehäuse abragenden Kontaktzungen durch eine Trennwand in eine Anschlusskammer eines Heizergehäuses hineinragen, in welcher die Kontaktzungen zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität an eine Stromquelle angeschlossen sind. Die Trennwand des Heizergehäuses formt dabei eine weibliche Steckkontaktaufnahme aus, in welcher das PTC-Element üblicherweise abgedichtet eingesetzt, bevorzugt über das Dichtelement reibschlüssig zumindest zu Montagezwecken gehalten ist.
  • Mit ihrem weiteren nebengeordneten Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines PTC-Heizelement der eingangs genannten Art vor. Bei diesem Verfahren werden das PTC-Element, die Leiterbahnen und die Isolierlage durch eine durch das Tiefziehteil ausgebildete Öffnung in einen Aufnahmeraum des Tiefziehteils eingebracht. Zuvor wurde das Gehäuse als Tiefziehteil ausgebildet. Die Richtung, mit welcher dabei der Stempel das Blechmaterial vor sich hertreibt, entspricht der Richtung des Einbringens der zuvor genannten Elemente in den Aufnahmeraum. Durch das Tiefziehen wird die lediglich eine Öffnung zu dem Aufnahmeraum ausgeformt. Gegenüberliegend zu der Öffnung ist das Tiefziehteil geschlossen, da an dieser Seite lediglich das umgeformte Blech vorgesehen ist.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird schließlich das Tiefziehteil durch eine allein durch auf Randbereiche des Tiefziehteils einwirkende Umfangkräfte umgeformt, so dass einander gegenüberliegende Innenflächen des Tiefziehteils gegen die in den Aufnahmeraum eingebrachten Komponenten, d.h. das PTC-Element, die Leiterbahnen und/oder die Isolierlage angelegt werden. Dabei kommt üblicherweise der für sich ein- oder mehrlagig ausgebildeten Isolierlage die Funktion zu, unmittelbar mit den Innenflächen des Tiefziehteils zusammenzuwirken, d.h. daran anzuliegen. Diese Innenflächen liegen üblicherweise parallel zu den Hauptseitenflächen des PTC-Elementes.
  • Die Umformkräfte wirken vornehmlich, gegebenenfalls ausschließlich auf solche Bereiche des Tiefziehteils, die als Rand außerhalb einer Projektionsfläche der Hauptseitenflächen des PTC-Elementes auf die Innenfläche des Tiefziehteils liegen. Die Umformkräfte wirken dementsprechend nicht unmittelbar gegen die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes und die dagegen anliegenden Lagen, beispielsweise die Isolierlagen. Damit wird ein schonendes Umformen des Tiefziehteils erreicht. Darüber hinaus kann das Material des Tiefziehteils zwischen den seitlichen Rändern, die sich üblicherweise parallel zu der Bewegungsrichtung des Stempels beim Tiefziehen erstrecken, und den in dem Aufnahmeraum vorgesehenen Lagen umgeformt werden, sodass durch Krümmung der Randbereiche eine gewisse Vorspannung erreicht werden kann, mit welcher die Innenflächen gegen die in den Aufnahmeraum eingebrachten Lagen anliegen. Dazu ist es zu bevorzugen, einen das PTC-Element aufnehmenden Rahmen mit seinen Längsholmen unmittelbar benachbarte zu den Rändern des Tiefziehteils anzuordnen und zwischen diesen Längsholmen und dem PTC-Element einen Freiraum vorzusehen, in den das Blechmaterial des Tiefziehteils beim Umformen gedrängt wird. Dieser Freiraum mag von der Isolierlage überdeckt sein, die als Kunststofffolie über dem PTC-Element bzw. der Leiterbahn anliegen kann und gleichzeitig zumindest teilweise die Längsholme überdeckt. So wird sichergestellt, dass das Umformen des Tiefziehteils zu keiner unmittelbaren elektrischen Kontaktierung von Teilen des Gehäuses beispielsweise mit dem umlaufenden Rand des PTC-Elementes oder einer dagegen anliegenden Leiterbahn führt.
  • Das Umformen erfolgt bevorzugt in einem Gesenk mit einem Ober- und einem Unterteil, die Formflächen aufweisen, die mit der Außenseite des Tiefziehteils außerhalb des PTC-Elementes zusammenwirken, also wie oben beschrieben seitlich neben dem PTC-Element.
  • Das Tiefziehteil wird bevorzugt in dem Gesenk mit einer Blockerpressung umgeformt. Im Rahmen dieser Blockpressung werden zumindest die sich gegenüberliegenden Längsränder des Tiefziehteils sowohl in Bewegungsrichtung des Gesenks ober- und unterseitig wie auch rechtwinklig dazu und damit randseitig eingefasst. So wird verhindert, dass das metallische Material des Tiefziehteils der Umformbewegung nach außen ausweicht. Vielmehr ergibt sich eine Umformung der nach innen gerichteten Wölbung eines üblicherweise konvex geformten Längsrandes des Tiefziehteils. Abhängig von den Toleranzen des Tiefziehteils, insbesondere aber der in den Aufnahmeraum aufgenommenen Komponenten kann die Umformung mehr oder weniger stark ausgeprägt sein. Der Prozess ist aber so eingestellt, dass durch die Umformbewegung eine vorgespannte Anlage der in dem Aufnahmeraum aufgenommenen Komponenten des PTC-Heizelementes erfolgt.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
    • 1 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung;
    • 2 eine perspektivische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach 1 nach Anschluss der PTC-Heizelemente;
    • 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des PTC-Heizelementes der in den 1 und 2 gezeigten elektrischen Heizvorrichtung;
    • 4 eine perspektivische Seitenansicht des in 3 verdeutlichten Ausführungsbeispiels eines PTC-Heizelementes;
    • 5 eine perspektivische Längsschnittansicht entlang der Linie V-V gemäß der Darstellung in 4 vor dem Verpressen des PTC-Heizelement;
    • 6 eine perspektivische Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI gemäß der Darstellung in 4 vor dem Verpressen des PTC-Heizelement;
    • 7 eine perspektivische Längsschnittansicht entlang der Linie V-V gemäß der Darstellung in 4 nach dem Verpressen des PTC-Heizelement;
    • 8 eine perspektivische Querschnittansicht entlang der Linie VI-VI gemäß der Darstellung in 4 nach dem Verpressen des PTC-Heizelement und
    • 9 eine Querschnittansicht des Ausführungsbeispiels des PTC-Heizelementes nach den 3 bis 8 beim Verpressen in einem Gesenk.
  • 1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf ein mit Bezugszeichen 2 gekennzeichnetes Heizergehäuse einer als Wasserheizer ausgebildeten elektrischen Heizvorrichtung. Das Heizergehäuse 2 hat ein Gehäusewannenelement 4 aus Kunststoff. Das Heizergehäuse 2 bildet einen Einlassstutzen 6 und einen Auslassstutzen 8 aus, die vorliegend einteilig an dem Gehäusewannenelement 4 ausgebildet sind. Die Stutzen 6, 8 sind als Schlauchanschlussstutzen ausgebildet und bilden eine Einlassöffnung 10 bzw. eine Auslassöffnung 12 zu einer mit Bezugszeichen 14 gekennzeichneten Zirkulationskammer aus.
  • Die Zirkulationskammer 14 ist durch eine Trennwand 16 aus Kunststoff von einer Anschlusskammer 18 getrennt und gegenüber dieser abgedichtet. Die Trennwand 16 bildet weibliche Steckelementaufnahmen 20 für PTC-Heizelemente 22 aus, die dichtend in die weiblichen Steckelementaufnahmen 20 eingesetzt und an einem Boden 24 des Gehäusewannenelementes 4 abgestützt sind.
  • Die 3 bis 9 verdeutlichen Details des PTC-Heizelementes 22, welches vorliegend lediglich ein PTC-Element 30 aufweist, welches an seinen aneinander gegenüberliegenden Hauptseitenflächen 32 mit einer Isolierlage 34 belegt ist. Die Isolierlagen 34 sind vorliegend durch eine Kunststofffolie, beispielsweise aus Kapton gebildet. Das PTC-Element 30 ist als Plättchen ausgebildet mit einer Breite B bzw. einer Länge L, die um den Faktor von zumindest 10 größer sind, als eine Dicke, die dem Abstand der beiden Hauptseitenflächen 32 entspricht.
  • Auf gegenüberliegenden Hauptseitenflächen 32 sind jeweils Kontaktbleche 38 vorgesehen, die mit dem PTC-Element 30 verklebt und dadurch elektrisch leitend an einer oberflächigen Metallisierung des PTC-Elements 30, die als Schicht mittels PVD oder CVD aufgebracht sein kann, angebunden sein können. Die Kontaktbleche 38 können auch lediglich auf das PTC-element 30 aufgelegt sein. Jedes Kontaktblech 38 bildet eine Kontaktfläche 40, die an der Hauptseitenfläche 32 des PTC-Elementes 30 elektrisch leitend anliegt, eine an einer Seite über das PTC-Element 30 hinausragende Kontaktzunge 42 und eine an der gegenüberliegenden, im Folgenden als Unterseite bezeichneten Seite abragende Rastzunge 44 aus. Vorliegend ist die Kontaktfläche 40 deckungsgleich mit der Hauptseitenfläche 32 des PTC-Elementes 30 vorgesehen. Die Isolierlage 34 liegt auf der dem PTC-Element 30 abgewandten Seite auf dem Kontaktblech 38 und deckt dieses ab.
  • Das PTC Element 30 ist in einem Rahmen 46 aufgenommen, der hierzu eine Rahmenöffnung 48 aufweist, die durch Längsholme 50 und Querholme 52, 54 begrenzt ist. Der unteren Querholm 54 hat zwei Verriegelungsöffnungen 56 zur Aufnahme der Rastzungen 44. Der obere Querholm 52 ist einteilig mit einer Durchführungselement-Basis 58 ausgebildet, die zusammen mit einem Durchführungssegment-Deckel 60 eine Art Stopfen bildet, der von einem Anschlagkragen 61 überragt ist. Dieser Anschlagkragen 61 wird durch von dem Rahmen 46 ausgebildete Halbschalen 62 überragt, von denen Stifte 64 abragen. Korrespondierend hierzu weist der Durchführungsegment-Deckel 60 Bohrungen 66 und mit diesen fluchtende Halbschalen 68 auf.
  • Zur Montage wird zunächst eines der Kontaktbleche 38 mit seiner Kontaktzunge 44 in die Halbschale 62 eingelegt. Der Stift 64 wird dabei durch eine an der Kontaktzunge 44 ausgesparte Bohrungen durchgeführt. Die Rastzunge 44 des Kontaktblechs 38 wird in die zugeordnete Verriegelungsöffnung 56 eingebracht. In dieser Weise verbunden hat der Rahmen 46 einen durch das Kontaktbech 38 gebildeten Boden, auf den das PTC Element 30 aufgelegt wird. Danach wird das weitere Kontaktblech 38 in der zuvor beschriebenen Weise in die andere der beiden Halbschalen 62 ein- und auf die Hauptseitenfläche 32 des PTC-Elementes 30 aufgelegt.
  • Danach wird der Durchführungsegment-Deckel 60 aufgebracht, sodass die Stifte 64 in die Bohrungen 66 eingeführt sind und die Halbschalen 68 des Deckel 60 die Halbschalen 62 der Basis 58 komplettieren. Danach sind die jeweiligen Kontaktzungen 42 isolierend in einem durch die Halbschalen 62, 68 jeweils gebildeten Durchführungskanal 70 aufgenommen und über den Rahmen 46 hinaus verlängert (vergleiche 4). Die Stifte 64 können danach warmverstemmt werden, um Basis 58 und Deckel 60 miteinander unverlierbar zu verbinden.
  • Die so hergestellte bauliche Einheit wird mit Isolierlage 34 belegt. Dazu wird die die Isolierlage 34 ausbildenden Kunststofffolie am unteren Ende des Rahmens um den unteren Querholm 54 umgeschlagen, sodass sich parallele Schenkel ergeben, die jeweils durch die einheitliche Folie ausgebildet sind und die Isolierlagen 34 ausbilden.
  • Die so hergestellte Einheit wird in ein mit Bezugszeichen 72 gekennzeichnetes Tiefziehteil eingesetzt, das aus Blech durch Tiefziehen gebildet und mit einer einzigen Öffnung 74 versehen ist, wobei der der Öffnung 74 gegenüberliegende Bereich des Tiefziehteils 72 geschlossen und mit einer Halterippe 76 versehen ist, die in einer an dem Boden 24 des Heizergehäuses 2 ausgesparten Aufnahmenut zur Positionierung des PTC-Heizelementes 22 in dem Heizergehäuses 2 zusammenwirkt. Durch die Öffnung 74 wird die vormontierte Einheit in einen Aufnahmeraum 78 des Tiefziehteil 72 eingebracht. Am Ende der Einbringungbewegung stößt der Anschlagkragen 61 gegen den Rand der Öffnung 74, wodurch die Einbaulage des Rahmens 46 und damit der durch den Rahmen 46 gehaltenen und um den Rahmen 46 gelegten Komponenten des PTC-Heizelement 22 vorgegeben ist.
  • Unterhalb der Öffnung 74 bildet das Tiefziehteil 72 einen Halterand 80 aus, der parallel zu dem Rand der Öffnung 74 um das Tiefziehteil 72 umläuft und zwischen sich und der Öffnung 74 einen Kragen 82 ausbildet, der eine Anlagefläche für ein Dichtungselement 84 ausgebildet. Das Dichtungselement 84 ist aus einem weichelastischem Kunststoff, beispielsweise TPE oder Silikon gebildet und hat Durchlassöffnungen 86 für die miteinander verbundenen Halbschalen, 62, 68. Das Dichtungselement 84 kann separat hergestellt und mit dem Rahmen 46 und dem Tiefziehteil 72 gefügt sein. Alternativ ist es auch möglich, das Dichtungselement 84 durch Umspritzen mit dem Rahmen 46 und dem Tiefziehteil 72 zu verbinden.
  • Das Dichtungselement 84 stützt sich jedenfalls an dem Halterand 80 ab, der durch das Tiefziehteil 72 selbst ausgebildet und durch Tiefziehen des Blechmaterials ausgeformt ist. Sämtliche an dem Tiefziehteil 72 vorgesehene Konturen und Vorsprünge sind durch das Tiefziehen verwirklicht und Ergebnis der Umformbearbeitung des Bleches. Lediglich die Öffnung 74 ist durch Abschneiden des überschüssigen Blechmaterials und gegebenenfalls Entgraten gebildet.
  • Wie die 4 verdeutlicht, überragen die Kontaktzungen 44 die freien Enden der gefügten Halbschalen 62, 68 und sind als männliche Steckelemente einer Steckverbindung an das PTC-Heizelement 22 nutzbar. Mit Abstand zu der Stirnfläche der gefügten Halbschalen, 62, 68, befindet sich das Dichtungselement 84.
  • Das wirtschaftliche Einbringen der zuvor erwähnten Elemente in den Aufnahmeraum 78 bringt es mit sich, dass zunächst die Isolierlagen 34 nicht hinreichend wärmeleitend an den zugeordneten Innenflächen des Aufnahmeraumes 78 anliegen, was die 5 und 6 verdeutlichen. So wird das Tiefziehteil 72 nach der Montage der Komponenten im Bereich seiner Längsränder 88 umgeformt. Das Tiefziehteil 72 wird dazu in ein Gesenk 90 mit Oberteil 92 und Unterteil 94 eingebracht, die im Grunde identisch ausgeformt sind.
  • 9 lässt erkennen, dass die beiden Teile 92, 94 jeweils eine Umformkante 96 ausbilden, die gegen die Außenfläche des Tiefziehteiles 72 angelegt wird. Der Angriffspunkt der Umformkante 96 liegt dabei in der Schnittansicht seitlich neben der Quererstreckung des PTC-Elementes 30 und der zugeordneten Kontaktbleche 40. Die Umformkante 96 greift in einen Freiraum ein, der zwischen dem zugehörigen Längsholm 50 und den PTC-Element 30 bzw. der Kontaktfläche 40 freigelassen und lediglich von der Isolierlage 34 überbrückt ist, die den jeweiligen Längsholm 50 zumindest teilweise überragt.
  • So wird das Tiefziehteil 72 lediglich im Bereich seiner Längsränder 88 umgeformt. Die durch das Tiefziehen hergestellte, zunächst im Grunde durch Tiefziehen halbreisförmig ausgeformte Krümmung der Längsränder 88 des Tiefziehteiles 72 werden stärker nach innen gebogen, wodurch die sich parallel zu den Hauptseitenflächen 32 erstreckenden Innenflächen des Tiefziehteils unter Vorspannung an die Oberflächen der Isolierlagen 34 angelegt werden.
  • Ersichtlich fasst das Gesenk 90 die jeweiligen Längsränder 88 sowohl in Bewegungsrichtung der beiden Teile 92, 94 aufeinander zu, wie auch an der Außenseite des Tiefziehteils 72. So berührt das in das Gesenk 90 eingelegte Tiefziehteil 72 mit seinen äußeren, durch die Längsränder 88 definierten Außenseiten das Gesenk 90. Das metallische Material des Tiefziehteils 72 kann dementsprechend lediglich in Richtung auf das PTC-Element 30 umgeformt werden.
  • Die Umformkante 96 wirkt nicht unmittelbar gegen das PTC-Element 30, sodass eine Beschädigung desselben beim Umformen weitestgehend vermieden wird. Darüber hinaus ergibt sich nach dem Umformen eine elastische Vorspannung, durch welche sich eine sichere Wärmeausleitung durch gute Wärmeleitung von dem PTC-Element 30 durch die Kontaktbleche 40 und die Isolierlage 34 zu der Innenfläche des Tiefziehteil 62 und durch dieses über Wärmeleitung nach außen ergibt.
  • Ersichtlich ist das Tiefziehteil 72 mit seiner Hauptseitenfläche ballig ausgebildet. Eine Innenfläche 98 erstreckt sich eben zu der Hauptseitenfläche 32 des PTC-Elementes 30, wohingegen die Außenseite des Tiefziehteils 72 gegenüberliegend zu der Hauptseitenfläche 32 konvex ausgeformt ist. Diese Ausgestaltung verbessert die Vorspannung und Festigkeit des Tiefziehteils 72 zum Aufbringen einer äußeren Anpresskraft der in dem Aufnahmeraum 78 montierten Elemente des PTC-Heizelementes 22.
  • Die ebene Innenfläche 98 des Tiefziehteils 72 geht jeweils randseitig in eine im Grunde kreisförmige Höhlung über. Die zuvor erwähnte Umformung des Tiefziehteils 72 erfolgt allein im Bereich dieser Höhlung. Die in 6 noch offene C-förmige und durch die Höhlung gebildete Klaue ist nach der Umformbearbeitung und in 8 deutlicher geschlossener zu erkennen. Mit anderen Worten wird der Durchmesser jeder an den Längskanten des Tiefziehteils 72 vorgesehenen Höhlung des Tiefziehteils 72 durch die Umformbearbeitung verringert, wodurch die einander gegenüberliegenden Innenflächen 98 aufeinander zu und unter Vorspannung gegen die Isolierlage 34 angelegt werden.
  • Wie der Vergleich der 5 bzw. 6mit den 7 bzw. 8 verdeutlicht, legt sich die Innenfläche 98 des Tiefziehteils 62 nach der Umformung gemäß 9 bündig an die Isolierlage 34 an.
  • Die 2 verdeutlicht den elektrischen Anschluss der PTC-Heizelemente 22. Für den elektrischen Anschluss sind in der Anschlusskammer 18 Bleche als Stromschienen 100, 102, 104 vorgesehen, die durch Stanzen und Biegen ausgebildete Kontaktvorsprünge 106 aufweisen, die unter elastischer Vorspannung gegen die Kontaktzungen 42 anliegen und diese kontaktieren. Die Kontaktvorsprünge 106 ragen in Aufnahmeöffnungen 108 hinein, die in den Blechstreifen der Stromschienen 100, 102, 104 ausgespart sind. In gleicher Weise werden mit Bezugszeichen 110 gekennzeichnete Anschlusszungen angeschlossen, die mit einer bestückten Leiterplatte kontaktiert sind, die in einem Steuergehäuse 112 aufgenommen ist. Dabei erfolgt der Anschluss der Stromschiene 102 unmittelbar über die Anschlusszunge 110, wohingegen der Anschluss der Stromschienen 100, 102 über einen Leistungstransistor 114 erfolgt, der mit stanzbearbeiteten Zuleitern 116 kontaktiert ist, die elektrisch an die zugehörigen Anschlusszungen 110 angeschlossen sind.
  • Bezugszeichenliste
  • 2
    Heizergehäuse
    4
    Gehäusewannenelement
    6
    Einlassstutzen
    8
    Auslassstutzen
    10
    Einlassöffnung
    12
    Auslassöffnung
    14
    Zirkulationskammer
    16
    Trennwand
    18
    Anschlusskammer
    20
    weibliche Steckelementaufnahme
    22
    PTC-Heizelement
    24
    Boden
    30
    PTC-Element
    32
    Hauptseitenfläche
    34
    Isolierlage
    38
    Kontaktblech
    40
    Kontaktfläche
    42
    Kontaktzunge
    44
    Rastzunge
    46
    Rahmen
    48
    Rahmenöffnung
    50
    Längsholm
    52
    oberer Querholm
    54
    unterer Querholm
    56
    Verriegelungsöffnung
    58
    Durchführungselement-Basis
    60
    Durchführungselement-Deckel
    61
    Anschlagkragen
    62
    Halbschale
    64
    Stift
    66
    Bohrung
    68
    Halbschale
    70
    Durchführkanal
    72
    Tiefziehteil
    74
    Öffnung
    76
    Halterippe
    78
    Aufnahmeraum
    80
    Halterand
    82
    Kragen
    84
    Dichtungselement
    86
    Durchlassöffnung
    88
    Längsrand
    90
    Gesenk
    92
    Oberteil
    94
    Unterteil
    96
    Umformkante
    98
    Innenfläche
    100
    Stromschiene
    102
    Stromschiene
    104
    Stromschiene
    106
    Kontaktvorsprung
    108
    Aufnahmeöffnung
    110
    Anschlusszunge
    112
    Steuergehäuse
    114
    Leistungstransistor
    116
    Zuleiter
    118
    Steckergehäuse Leistungsstrom
    120
    Steckergehäuse Steuersignale
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (7)

  1. PTC-Heizelement (22) für eine elektrische Heizvorrichtung, mit einem Gehäuse (72), das zumindest ein PTC-Element (30), elektrisch mit dem PTC-Element (30) verbundene Leiterbahnen (38) und wärmeleitend gegen das PTC-Element (30) anliegende Isolierlagen (34) als Einheit fügt und von Kontaktzungen (42) überragt ist, die zur Bestromung des PTC-Elementes (30) mit unterschiedlicher Polarität mit den Leiterbahnen (38) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, das Gehäuse ein Tiefziehteil (72) aufweist, das einen das PTC-Element (30), die Leiterbahnen (40) und die Isolierlagen (38) aufnehmenden Aufnahmeraum (78) ausbildet.
  2. PTC-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest eine durch das Tiefziehteil (72) gebildete Verstärkung (80) aufweist, die zumindest zwei von PTC-Element (30), Leiterbahn (40) und Isolierlage (38) unter Vorspannung in dem Gehäuse (729 gegeneinander angelegt hält.
  3. PTC-Heizelement nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrisch mit dem Tiefziehteil (72) verbundene Masseanschlusszunge (76).
  4. PTC-Heizelement nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dichtungselement (84) aus einem weichelastischen Kunststoff, das eine Öffnung (74) des Tiefziehteils (72) abdichtet und von den Kontaktzungen (42) überragt ist.
  5. PTC-Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (84) in Richtung der Längserstreckung der Kontaktzungen (42) das Tiefziehteil (72) überragt.
  6. PTC-Heizelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehteil (72) einen das Dichtungselement (84) haltenden Halterand (80) ausformt.
  7. PTC-Heizelement nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Durchführungselement (58, 60) aus einem elektrisch isolierenden Material, welches nach Art eines Stopfens in ein freies, von den Kontaktzungen (42) durchragtes Ende des Tiefziehteils (72) eingesetzt ist und Durchführkanäle (70) für die Kontaktzungen (42) ausbildet.
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