EP3863373B1

EP3863373B1 - Elektrische heizvorrichtung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: EP3863373B1
Application number: EP21155256.7A
Authority: EP
Inventors: Daniil Salahub; Patrick Kachelhoffer
Original assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2024-06-19
Anticipated expiration: 2041-02-04
Also published as: US11619422B2; CN113260097A; US20210247105A1; EP3863373A1; CN113260097B; DE102020201571A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit einem Gehäuse mit einer Trennwand, die eine Anschlusskammer von einer Heizkammer zur Abgabe von Wärme unterteilt. Von der Trennwand ragt zumindest eine als Heizrippe in die Heizkammer hineinragende Aufnahmetasche ab. In dieser Tasche ist eine PTC-Heizeinrichtung vorgesehen. Des Weiteren ist in der Tasche ein Druckelement aufgenommen, das Wärmeauskopplungsflächen des PTC-Elementes gegen gegenüberliegende Innenflächen der Aufnahmetasche angelegt hält.
Die PTC-Heizeinrichtung hat zumindest ein PTC-Element und an diesem elektrisch leitend anliegende Leiterbahnen. Die Leiterbahnen sind mit dem PTC-Element elektrisch leitend verbunden. Diese Verbindung kann eine form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung sein.
Die zuvor erwähnten allgemeinen Merkmale der elektrischen Heizvorrichtung gelten für den Stand der Technik gemäß EP 1 872 986 A1 . Sie gelten auch für die Verwirklichung der Erfindung.
Die auf die Anmelderin zurückgehenden früheren Vorschläge EP 2 637 474 A1 bzw. EP 2 337 425 A1 offenbaren jeweils PTC-Heizeinrichtungen, die in eine zuvor erwähnte Aufnahmetasche eingebracht sind.
Dabei offenbart die EP 2 337 425 A1 eine Lösung, bei welcher eine an einer Hauptseitenfläche des PTC-Elementes anliegende Leiterbahn als Blechstück mit aus der Ebene des Blechstücks herausgebogenen Kontaktvorsprüngen versehen ist. Die Kontaktvorsprünge dienen lediglich einer verbesserten elektrischen Kontaktierung des PTC-Elementes.
Bei den zuvor beschriebenen vorbekannten Lösungen verjüngt sich die Aufnahmetasche zu ihrem unteren geschlossenen Ende hin. Dementsprechend ist die Einbringöffnung, die sich zu der Anschlusskammer öffnet, breiter als das untere geschlossene Ende der Aufnahmetasche. Die PTC-Elemente und die beidseitig daran anliegenden Kontaktbleche werden üblicherweise unter Zwischenlage zumindest einer Isolierschicht zwischen den Leiterbahnen und einander gegenüberliegenden Innenflächen der Aufnahmetasche mit einem keilförmigen Druckelement in dieser verspannt, wie zum Beispiel in EP 3 101 365 A1 offenbart. Dieses Keilelement trägt dafür Sorge, dass die Lagen des Schichtaufbaus in der Aufnahmetasche geklemmt gegeneinander angelegt sind. Bei diesen Lagen handelt es sich zumindest um die PTC-Elemente und die sich rechtwinklig zu der Kraftwirkungsrichtung des Keilelementes erstreckenden Leiterbahnen, üblicherweise Kontaktbleche, sowie zumindest eine Isolierlage.
Das Keilelement soll trotz der fertigungstechnisch bedingten, nach unten konisch zulaufenden Querschnittsgestalt der Aufnahmetasche eine gute Wärmeübertragung bevorzugt zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Wärmeauskopplungsflächen des PTC-Elementes und der diesen jeweils zugeordneten Innenflächen der Aufnahmetasche unter Zwischenlage des Druckelementes ermöglichen. Durch den dort aufgebauten Druck wird auch die gegenüberliegende Wärmeauskopplungsfläche des PTC-Elementes unmittelbar oder unter Zwischenlage einer Isolierschicht gegen die gegenüberliegende Innenfläche der Aufnahmetasche angelegt.
CN 109028554 A offenbart eine elektrische Heizvorrichtung mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1. Bei diesem Stand der Technik umfasst die PTC-Heizeinrichtung ein taschenförmiges Heizergehäuse, welches einander gegenüberliegende Seitenabschnitte aufweist, die über einen Bodenabschnitt miteinander verbunden sind und welches das PTC-Element und die Leiterbahnen in sich aufnimmt. Das taschenförmige Heizergehäuse formt dementsprechend eine Aufnahme zumindest für das PTC-Heizelement aus. Das taschenförmige Heizergehäuse ist im Querschnitt keilförmig ausgebildet, um eine gleichmäßige wärmeleitende Anlage des als Druckelement ausgebildeten Heizergehäuses an die Innenflächen einer sich zu ihrem unteren, der Anschlusskammer abgewandtem Ende verjüngenden Aufnahmetasche zu ermöglichen.
Die zuvor vorgestellten früheren Lösungen aus dem Stand der Technik sorgen jeweils für eine gute Wärmeauskopplung. Allerdings besteht das Problem, dass die Aufnahmetasche aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht immer der ausgelegten Form entspricht. Denn die PTC-Elemente unterliegen fertigungsbedingt erheblichen dimensionalen Schwankungen. Auch ist nicht immer sichergestellt, dass die Wärmeauskopplungsflächen des PTC-Elementes vollkommen gerade und plan verlaufen.
Das Einpressen eines Keils als Druckelement kann zu Spannungsspitzen führen, durch welche das keramische PTC-Element bzw. eine keramische Isolierschicht innerhalb der Aufnahmetasche brechen kann. Abhängig von den Toleranzen kann das in dem Stand der Technik als Druckelement verwendete Keilelement in dem konkreten Anwendungsfall nicht dick genug sein, sodass es im Grunde wirkungslos an dem unteren Ende der Aufnahmetasche aufsitzt. Ist hingegen der vor dem Einbringen des Keilelementes verbleibende Freiraum zu klein, so ergibt sich in Höhenrichtung der Aufnahmetasche, d. h. zwischen dem unteren Ende und der Einbringöffnung eine nur unzureichende Überdeckung der Wärmeauskopplungsfläche des PTC-Elementes. Infolgedessen erwärmt sich das PTC-Element zu stark und verhindert eine weitere Aufnahme von Leistungsstrom. Mithin ist der Wirkungsgrad des PTC-Elementes schlecht.
Auch besteht die Möglichkeit, dass Lagen der PTC-Heizeinrichtung und/oder des Druckelementes bzw. die PTC-Heizeinrichtung insgesamt aufgrund von Vibrationen aus der Aufnahmetasche herausgedrückt wird bzw. herauswandert.
Die vorliegende Erfindung will die zuvor erwähnten Probleme zumindest teilweise beheben.
Die vorliegende Erfindung schlägt hierzu eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ragt die Aufnahmetasche in an sich bekannter Weise als Heizrippe in die Heizkammer hinein. Dabei ist die Aufnahmetasche üblicherweise einteilig an der Trennwand ausgeformt. Die Aufnahmetasche ist üblicherweise aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet, in der Regel Metall. Die Aufnahmetasche für sich oder in Verbindung mit der Trennwand kann durch Tiefziehen oder Gießen eines Metalls hergestellt sein. Bevorzugt besteht die Aufnahmetasche aus Aluminium und ist einteilig an der Trennwand durch eine Umformbearbeitung, insbesondere durch Tiefziehen ausgebildet.
Die Aufnahmetasche hat - wie die aus dem Stand der Technik bekannte Aufnahmetasche - vorzugsweise eine keilförmige Querschnittsform, die sich zu dem Boden der Aufnahmetasche, d. h. dem in die Heizkammer hineinragenden Ende der Heizrippe hin verjüngt.
In dieser Aufnahmetasche ist nach der Erfindung das Heizergehäuse aufgenommen. Das Heizergehäuse nimmt üblicherweise das PTC-Element vollständig und die Leiterbahnen jedenfalls überwiegend in sich auf. Insbesondere werden die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes üblicherweise von dem Heizergehäuse abgedeckt. Die wärmeausleitenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes sind im montierten Zustand gegenüberliegend zu den Seitenflächen der Heizrippe angeordnet, sodass in einer Richtung quer zu den Hauptseitenflächen Wärme aus dem PTC-Element ausgekoppelt, durch die Aufnahmetasche hindurch geleitet und über die Seitenflächen an die Heizkammer abgeleitet werden kann. In diesem Wärmeleitweg befindet sich das Heizergehäuse.
Das Heizergehäuse ist üblicherweise aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet. Das Heizergehäuse ist insbesondere aus einem fließfähigen Material ausgebildet, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, welches eine relativ geringe Festigkeit bei guter Wärmeleitfähigkeit hat. Das Heizergehäuse kann auch aus einem mit wärmeleitenden Partikeln hochgefülltem Kunststoff ausgebildet sein. Der volumetrische Füllungsgrad der wärmeleitfähigen Partikel sollte nicht geringer als 60 Volumenprozent sein.
Das Heizergehäuse nimmt nicht nur das PTC-Element und überwiegend die Leiterbahnen in sich auf. Üblicherweise befindet sich auch zwischen dem PTC-Element und einer Innenfläche des Heizergehäuses zumindest eine Isolierlage, die aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff oder einer Keramik gebildet sein kann. Die Isolierlage deckt üblicherweise die unmittelbar elektrisch leitend an dem PTC-Element anliegende Leiterbahn außenseitig ab, sodass diese Polarität nicht unmittelbar die Innenfläche des Heizergehäuses kontaktiert.
Auf der gegenüberliegenden Seite kann die Stromeinleitung unmittelbar durch das Heizergehäuse erfolgen, welches in diesem Fall die Leiterbahn ausbildet. Üblicherweise sind indes zwei Leiterbahnen, die unterschiedlicher Polarität zugeordnet sind, als separate Bauteile in dem Heizergehäuse aufgenommen und jeweils für sich über eine Isolierlage gegenüber dem Heizergehäuse elektrisch isoliert. Dabei können die parallel zu den sich gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes vorgesehenen Isolierlagen aus einer einzigen, unterseitig um das PTC-Element geschlagenen Folie gebildet sein. Das PTC-Element kann in einem Positionsrahmen aus einem elektrisch isolierenden Material aufgenommen sein, welches das bzw. die PTC-Elemente positioniert und voneinander beabstandet, sodass durch die Positionierung des Positionsrahmens in dem Heizergehäuse eine vorbestimmte Ausrichtung und Anordnung des bzw. der PTC-Elemente in der Aufnahmetasche erreicht wird. Dieser Positionsrahmen kann außenseitig mit den Isolierlagen belegt bzw. von einer einzigen Isolierlage umgeben sein.
Das Heizergehäuse ist gemäß der vorliegenden Erfindung unter plastischer Verformung des Heizergehäuses und/oder der Aufnahmetasche in die Aufnahmetasche eingepresst. Das Heizergehäuse und/oder die Aufnahmetasche können sich gegenüberliegende Hauptseiten bzw. Innenflächen haben, die mit einem Winkel von zwischen 2° und 5° schräg zueinanderstehen.
Im Rahmen der Montage wird üblicherweise zunächst das Heizergehäuse mit den darin aufgenommenen Elementen, d. h. dem PTC-Element der zumindest einen Leiterbahn und der gegebenenfalls vorgesehenen Isolierlage bestückt. Danach wird das Heizergehäuse in die Aufnahmetasche eingebracht. Danach erfolgt die plastische Verformung. Dazu kann beispielsweise die Heizrippe plastisch verformt werden, indem ein Verformungswerkzeug unmittelbar mit der Heizrippe zusammenwirkt. Ergänzend oder alternativ kann auch ein Verformungswerkzeug gegen das Heizergehäuse wirken, um von der Innenseite der Aufnahmetasche her die erfindungsgemäße plastische Verformung zu bewirken. Jedenfalls wird aufgrund der Verformung ein inniger plastisch verformter Verbund zwischen dem Heizergehäuse und der Innenfläche der Aufnahmetasche erzielt. Des Weiteren wird das PTC-Element aufgrund der Verformung von Heizergehäuse und/oder Aufnahmetasche fest, insbesondere vibrationsfest und mit guter Wärmeleitung in dem Wärmeweg zwischen dem PTC-Element und der Seitenfläche der Heizrippe angeordnet.
Bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ergibt sich neben einer vibrationssicheren Befestigung des PTC-Elementes in der Aufnahmetasche eine gute Wärmeauskopplung und eine üblicherweise vollständige oder zumindest nahezu vollständige Ausfüllung der Aufnahmetasche durch die darin eingebrachten Komponenten, zumindest in dem Bereich der Aufnahmetasche, der für die Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element von besonderer Bedeutung ist. So wird der untere Bereich der Aufnahmetasche üblicherweise vollflächig mit dem Heizergehäuse verbunden. Auch zwischen den Hauptseitenflächen des PTC-Elementes und den zugeordneten Innenflächen der Aufnahmetasche ergibt sich eine vollflächige Kontaktierung und damit eine gute Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element bis zu den Seitenflächen der Heizrippe. Bei der hier diskutierten Wärmeleitung kommt es insbesondere auf den Wärmeleitweg von den Hauptseitenflächen in die Seitenflächen der Heizrippe an. Die Stirnseitenflächen des PTC-Elementes können aufgrund ihrer geringeren Abmessung üblicherweise ohnehin nur einen geringeren Beitrag für die Wärmeauskopplung leisten. Die Hauptseitenflächen sind üblicherweise diejenigen Flächen, die die größte Erstreckung in Längen- bzw. Breitenrichtung des PTC-Elementes haben. Die Stirnseitenflächen verbinden diese Hauptseitenflächen. Das PTC-Element ist üblicherweise quaderförmig ausgebildet und hat eine wesentlich größere Erstreckung in Längen- bzw. Breitenrichtung als in Höhen- bzw. Dickenrichtung. Die Dickenrichtung ist üblicherweise zumindest um den Faktor 5 kleiner als eine der Abmessungen in Längen- und/oder Breitenrichtung. Die Hauptseitenfläche wird dabei durch die beiden Erstreckungen in der Länge und in der Breite aufgespannt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Heizergehäuse mit der Aufnahmetasche insbesondere in Folge der plastischen Verformung stoffschlüssig verbunden, besonders bevorzugt kaltverschweißt. Bei dieser bevorzugten Weiterbildung hat die plastische Verformung von Heizergehäuse und/oder Aufnahmetasche in einer Weise zu erfolgen, dass sich eine stoffschlüssige, insbesondere durch Verschweißen gebildete Verbindung zwischen dem Heizergehäuse und der Aufnahmetasche ergibt.
Eine sich in Einbringrichtung des PTC-Elementes im Wesentlichen quer erstreckende Stirnseitenfläche kann benachbart zu dem Boden der Aufnahmetasche vorgesehen sein. Üblicherweise befindet sich zumindest nach der plastischen Verformung auch Material des Heizergehäuses zwischen dem Boden der Aufnahmetasche und dieser Stirnfläche. Die sich dazu parallel erstreckende gegenüberliegende Stirnfläche liegt benachbart zu der Anschlusskammer und kann üblicherweise wenig zur Wärmeauskopplung beitragen. Die sich rechtwinklig zu diesen beiden Stirnflächen erstreckenden Stirnflächen des PTC-Elementes können in der Aufnahmetasche ohne unmittelbare Wärmeleitfläche freiliegen. Dies ist aus Gründen einer guten elektrischen Isolation zu bevorzugen. Dabei wird die Aufnahmetasche üblicherweise nach dem Einbringen und Verformen des Heizergehäuses mit einer elektrisch isolierenden Masse ausgegossen, durch welche Luft- und Kriechströme verhindert werden und die sich zwischen einer stirnseitigen Begrenzung der Heizrippe und den entsprechenden Stirnflächen des PTC-Elementes befinden kann, sodass auch über diese elektrisch isolierende Masse eine gewisse Wärmeauskopplung zu der Außenfläche der Heizrippe erfolgen kann. Bei der gut wärmeleitfähigen Masse kann es sich beispielsweise um eine aushärtende Silikonmasse handeln, der elektrisch nicht leitende, indes gut wärmeleitende Partikel beigemischt worden sind. Bei diesen Partikeln kann es sich um Aluminiumoxyd-Kugeln handeln.
Die nachstehende Betrachtung bezieht sich insbesondere auf eine Querschnittsansicht durch das PTC-Element, die die oberen und unteren Stirnflächen schneidet und sich parallel zu den randseitigen Stirnflächen des PTC-Elementes erstreckt. In einer solchen Querschnittsansicht ist mindestens eine gegen die Aufnahmetasche anliegende Fläche des Heizergehäuses konvex ausgebildet. Diese Ausformung des Heizergehäuses kann sich auf den Zustand vor dem Verformen beziehen. Üblicherweise ergibt sich bei einer solchen konvexen Ausgestaltung aber auch eine verformte Ausgestaltung, bei welcher das Heizergehäuse mit einer konvexen Fläche gegen die Innenfläche der Aufnahmetasche anliegt. Dabei kann sich die Innentasche infolge einer Verformung des Heizergehäuses korrespondierend zu der konvexen Ausgestaltung des Heizergehäuses konkav nach außen umgeformt haben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine Fixierungslippe an dem Heizergehäuse durch eine Hinterschneidung ausgebildet. Diese Fixierungslippe ist durch das Einpressen des Heizergehäuses in der Aufnahmetasche zumindest abschnittsweise plastisch verformt und an die Innenseite der Aufnahmetasche angelegt. Diese Weiterbildung lässt sich von der Überlegung leiten, dass durch eine sich leicht verformende Fixierungslippe eine Art Widerhaken oder dergleichen gebildet ist, der zumindest nach der plastischen Verformung in verbesserter Weise eine Verankerung des Heizergehäuses in der Aufnahmetasche bewirken kann. Die Fixierungslippe kann in Höhenrichtung, d. h. Einbringrichtung des Heizergehäuses in die Aufnahmetasche an beliebiger Stelle vorgesehen sein. Mit Blick auf eine möglichst gute Wärmeauskopplung zwischen den Hauptseitenflächen und der Heizrippe ist es indes zu bevorzugen, die entsprechende Fixierungslippe bodennah an der Aufnahmetasche vorzusehen.
Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung vor, das Heizergehäuse mit zwei Schenkeln und einem damit verbundenen Heizergehäuseboden zu versehen. Durch das Heizergehäuse ist ein im Wesentlichen U- bzw. V-förmiger Aufnahmeraum für das PTC-Element und die zumindest eine Leiterbahn gebildet, dessen Innenwände parallel zueinander ausgerichtet werden können. Die besagte Fixierungslippe ist an zumindest einem, bevorzugt an zwei Schenkeln vorgesehen, wobei die zumindest eine Fixierungslippe im Bereich des Heizergehäusebodens vorgesehen ist. Der Boden ist dabei definitionsgemäß derjenige Bereich, der in Einbringrichtung des Heizergehäuses in die Aufnahmetasche vor dem PTC-Element liegt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat das Heizergehäuse an einem in Einpressrichtung hinteren Ende eine zum Ansetzen eines Presswerkzeuges angepasst eingerichtete Anlagefläche. Diese Anlagefläche kann durch eine im Wesentlichen ebene, sich quer zu der Einpressrichtung erstreckende Fläche gebildet sein. Die Anlagefläche kann auch durch eine muldenförmige Vertiefung gebildet sein. Die Anlagefläche ist zum Ansetzen eines Presswerkzeuges angepasst ausgebildet. Dieses Presswerkzeug wirkt üblicherweise von der Anschlusskammer her auf das Heizergehäuse, um das Heizergehäuse in der Aufnahmetasche zu verpressen, insbesondere plastisch zu verformen und damit in der Aufnahmetasche kalt zu verschweißen. Dies erfolgt in der Regel beim Einbringen des Heizergehäuses in die Aufnahmetasche.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann das Heizergehäuse zumindest einen nach innen gerichteten Verriegelungsvorsprung aufweisen. Dieser Verriegelungsvorsprung liegt in dem fertigen Erzeugnis üblicherweise flächig in Richtung auf das PTC-Element an, beispielsweise gegen die Isolierlage. Der Verriegelungsvorsprung kann nach Art eines Widerhakens wirken, der ein unbeabsichtigtes Herauslösen des PTC-Elementes aus dem möglicherweise nach oben offen Heizergehäuse verhindert. Nach der plastischen Verformung des Heizergehäuses mag dieser Verriegelungsvorsprung im Grunde in eine ebene Anlagefläche integriert sein, die sich parallel zu einer Hauptseitenfläche des PTC-Elementes erstreckt und beispielsweise eine Anlagefläche für die Isolierlage ausformt.
Das zuvor erwähnte Heizergehäuse kann als längliches Material mittels Strangziehen oder Strangpressen hergestellt und nachfolgend auf Länge geschnitten sein, sodass dessen Länge im Wesentlichen der Breite des PTC-Elementes entspricht.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung der oben genannten Art angegeben. Bei dem Verfahren wird das PTC-Element mit der zumindest einen Leiterbahn, gegebenenfalls mit der zuvor erwähnten Isolierlage in ein Heizergehäuse und in die Aufnahmetasche eingebracht. Dabei kann das Heizergehäuse zunächst mit den darin enthaltenen Elementen bestückt und danach in die Aufnahmetasche eingebracht werden. Alternativ kann auch zunächst das Heizergehäuse in die Aufnahmetasche eingebracht und danach bestückt werden.
Jedenfalls wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren während des Einbringens des Heizergehäuses oder nach dem Einbringen des Heizergehäuses und der darin aufgenommenen Bauteile das Heizergehäuse unter plastischer Verformung in der Aufnahmetasche verpresst und dabei bevorzugt mit der Aufnahmetasche kaltverschweißt.
Bevorzugt wird bei dem Erfindungsgemäßen beim Einbringen des Heizergehäuses in die Aufnahmetasche, bevorzugt nachdem das Heizergehäuse mit den Bauteilen bestückt worden ist, ein Heizergehäuseboden im Boden der Aufnahmetasche plastisch verformt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, bei welcher zunächst das Heizergehäuse mit den zuvor erwähnten Komponenten bestückt und danach in die Aufnahmetasche eingebracht wird, wird das Heizergehäuse zum Einbringen von einem Einbringwerkzeug gegriffen. Dabei werden üblicherweise einander gegenüberliegende Schenkel des Heizergehäuses von dem Einbringwerkzeug gegriffen und aufeinander zugeschwenkt. Das Heizergehäuse wird durch das Einbringwerkzeug dabei unter elastischer und/oder plastischer Verformung vor dem Einbringen in die Aufnahmetasche gegen das PTC-Element angelegt. Die Anlage kann dabei unmittelbar gegen das PTC-Element oder unter Zwischenlage einer Isolierschicht bzw. des Kontaktblechs erfolgen. Üblicherweise wird der zuvor bereits erwähnte, nach innen gerichtete Verriegelungsvorsprung des Heizergehäuses bei diesem methodischen Vorgehen plastisch verformt, sodass sich für das PTC-Element auf beiden Hauptseiten desselben eine ebene Gegenfläche auf Seiten des Heizergehäuses bildet, an welcher das PTC-Element direkt oder mittelbar unter Zwischenlage des Kontaktblechs und/oder der Isolierlage anliegt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der folgenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser Zeichnung

Fig. 1: eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung mit teilweise weggenommenem Gehäuse;
Fig. 2: eine Querschnittsansicht der in Figur 1 mit Bezugszeichen 102 gekennzeichneten Gehäusebasis mit einer ersten Variante eines Heizergehäuses, das in einer Aufnahmetasche eingepresst ist
Fig. 3: eine perspektivische Schnittansicht der Aufnahmetasche mit einer zweiten Variante eines Heizergehäuses vor dem vollständigen Einbringen in die Aufnahmetasche;
Fig. 4: eine perspektivische Schnittansicht der Aufnahmetasche mit einer dritten Variante eines Heizergehäuses vor dem vollständigen Einbringen in die Aufnahmetasche;
Fig. 5: eine perspektivische Schnittansicht der Aufnahmetasche mit einer vierten Variante eines Heizergehäuses vor dem vollständigen Einbringen in die Aufnahmetasche;
Fig. 6: eine perspektivische Schnittansicht der Aufnahmetasche mit einer fünften Variante eines Heizergehäuses vor dem vollständigen Einbringen in die Aufnahmetasche und
Fig. 7: das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 in einer Seitenansicht mit vollständiger Heizrippe.

Die Figur 1 zeigt ein Gehäuse 100 einer elektrischen Heizvorrichtung, das ein Bodenelement 102, eine Gehäusebasis 104 und einen Gehäusedeckel 106 umfasst. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Gehäusebasis 104 eine sich parallel zu dem Gehäuseboden 102 erstreckende Trennwand 108 aus, die eine Zirkulations- bzw. Heizkammer 110 von einer Anschlusskammer 112 trennt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zumindest die Gehäusebasis 104 einteilig aus Aluminium hergestellt. Von der Trennwand 108 ragen Heizrippen 114 in Richtung auf die Heizkammer 110 vor. Diese Heizrippen sind zu ihrem feinen Ende hin mit einem Winkel von etwa 2,5° konisch zulaufend ausgebildet und formen eine Aufnahmetasche 116 mit einander gegenüberliegenden Innenflächen 118 aus. Das Innere der Heizrippe 114 und der Anschlusskammer 112 ist fluidisch von der Heizkammer 110 getrennt.
Zu der Heizkammer 110 führen vorliegend an gegenüberliegenden Stirnseiten der Gehäusebasis 104 Anschlüsse. Diese Anschlüsse sind als Schlauch- bzw. Rohr-Anschlussstutzen 120 ausgeformt und ragen außen von der eigentlichen Wand der Gehäusebasis 104 ab. Sie dienen dem Anschluss von Schläuchen bzw. Leitungen, die zu erwärmendes flüssiges Fluid führen, das in der Heizkammer 110 erwärmt werden soll.
Dazu sind die Aufnahmetaschen 116 jeweils mit PTC-Heizeinrichtungen 2 bestückt. In die einzelnen Aufnahmetaschen 116 kann eines oder mehrere dieser PTC-Heizeinrichtungen 2 in Längsrichtung der Heizrippen 114 hintereinander eingesetzt sein.
Der wesentliche Aufbau der PTC-Heizeinrichtung 2 ist für die nachfolgend diskutierten Varianten im Grunde identisch. Die PTC-Heizeinrichtung 2 hat jeweils ein Heizergehäuse 4, welches sich gegenüberliegende Schenkel 6 umfasst, die über einen Heizergehäuseboden 8 miteinander schwenkbar verbunden sind. Auf der dem Heizergehäuseboden 8 gegenüberliegenden Seite ist das Heizergehäuse 4 offen. Es wird üblicherweise von Kontaktblechen 10 überragt, die elektrisch leitend unmittelbar an einem PTC-Element 12 anliegen und einteilig durch Stanzen und Biegen eines die Kontaktbleche 10 ausbildenden Blechmaterials ausgeformte Anschlussfahnen 14 als Kontaktzungen für die Steckkontaktierung der PTC-Heizeinrichtung 2 ausbilden. Diese Anschlussfahnen 14 sind in Figur 2 gezeigt. Bei den übrigen Darstellungen nach den Figuren 3 ff. wurde auf die Detailierung der Anschlussfahnen verzichtet.
Wie die Schnittdarstellung gemäß Figur 2 vermittelt, befindet sich das PTC-Element 12 in einer umfänglich umschlossenen Aufnahme eines Positionsrahmens 16 aus isolierendem Material, von dem in Figur 1 lediglich die oberen und unteren Rahmenholme 18, 20 zu erkennen sind. Üblicherweise überragt das PTC-Element 12 in Dickenrichtung, d. h. einer Dickenrichtung der Aufnahmetasche 116, die Rahmenholme 18, 16, sodass die elektrisch leitende Anlage der Kontaktbleche 10 an dem PTC-Element 12 durch den Positionsrahmen 16 nicht beeinträchtigt wird.
Auf der dem PTC-Element 12 gegenüberliegenden Seite liegt eine Isolierlage 22 außen an den Kontaktblechen 10 an. Diese Isolierlage 22 ist einteilig ausgebildet und umschlingt unterseitig den Positionsrahmen 16.
Die zuvor beschriebenen Elemente der PTC-Heizeinrichtung 2 sind in dem Heizergehäuse 4 aufgenommen, welches vorliegend aus Aluminium gebildet und durch Strangpressen hergestellt und auf Länge geschnitten ist. Die Breite dieses Heizergehäuses 4 entspricht vorliegend in etwa der Breite des PTC-Elementes 12. Die Breitenrichtung erstreckt sich quer zu der Darstellungsebene nach Figur 2. Die hier neben der Dicke zu erkennende weitere Abmessung des PTC-Elementes 12 ist die Länge. Diese Erstreckung entspricht in etwa der Einführrichtung der PTC-Heizeinrichtung 2 in die Aufnahmetasche 116.
Der in Figur 2 rechte Schenkel 6 des Heizergehäuses 4 ist gegenüber dem linken Schenkel verdickt ausgebildet und hat eine sich im Wesentlichen quer zu der Einbringrichtung erstreckende Anlagefläche 26, die eben und über die Breite des Heizergehäuses 4 durchgehend ausgebildet ist. Oberhalb dieser Anlagefläche 26 ist auch der rechte Schenkel 6 wie der linke Schenkel 6 als im Wesentlichen dünne und ebene Platte ausgebildet.
Die Schnittansicht lässt von dem Boden in Breitenrichtung abragende Fixierungslippen 28 erkennen, die vor dem Einbringen des Heizergehäuses 4 in die Aufnahmetasche 116 weiter in Querrichtung abstanden und beim Einbringen in die Aufnahmetasche 16 parallel zu den Innenflächen 118 umgeformt wurden. Diese Fixierungslippen 28 können wie Widerhaken wirken.
Durch das Aufbringen einer Kraft flächig auf die Anlagefläche 26 ist das Heizergehäuse 4 in der Aufnahmetasche 116 plastisch verformt. Bei dieser plastischen Verformung kann sich auch die Heizrippe 114 dauerhaft verformen. Jedenfalls ergibt sich aufgrund der plastischen Verformung eine Kaltverschweißung. Dazu kann gegen die Anlagefläche 26 mit einer Presskraft zwischen 1400 bis 3000 Newton gedrückt werden. Hierdurch fließt das Aluminiummaterial des Heizergehäuses 4 und verbindet sich stoffschlüssig mit den Innenflächen 118 der Aufnahmetasche 116.
Üblicherweise werden die Komponenten der PTC-Heizeinrichtung, die innerhalb des Heizergehäuses 4 aufgenommen sind, nämlich das zuvor in die Aufnahme des Positionsrahmens 16 eingesetzte PTC-Element 12, die daran anliegenden Kontaktbleche 10 sowie die Isolierlage 22 als Einheit zwischen die Schenkel 6 des Heizergehäuses 4 eingebracht, bevor dieses in die Aufnahmetasche 116 eingebracht und hierin verpresst wird.
Die Figuren 3 bis 7 zeigen Varianten des Heizergehäuses 4. Ansonsten sind gegenüber der vorherigen Beschreibung gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei den Darstellungen nach den Figuren 3 bis 7 ist jeweils das Heizergehäuse 4 mit den darin aufgenommenen Komponenten noch nicht vollends in die Aufnahmetasche 116 eingeschoben. Vielmehr überragt es teilweise die Trennwand 108.
Bei dem zuvor diskutierten Ausführungsbeispiel bildet das Heizergehäuse 4 Schenkel 6 mit ebenen Außenflächen. Diese Außenflächen divergieren zwar, sind aber flach, d. h. eben.
Bei der in Figur 3 gezeigten Variante sind die Schenkel 6 leicht konvex ausgebildet. Sie haben einen Radius von zwischen 500 und 1000 mm. Auf die Fixierungslippen 28 wird bei diesem Ausführungsbeispiel verzichtet. Statt eines Positionsrahmens 16 ist lediglich ein elektrisch nicht leitender Kunststoffsteg 30 zwischen einem Boden der Heizrippe 114 und dem PTC-Element 12 vorgesehen. Die Anlageflächen 26 sind beiderseits des PTC-Elementes 12 an den beiden Schenkeln 6 ausgebildet. So ergibt sich beim Aufbringen der Anpresskraft auf beiden Seiten des PTC-Elementes ein Fließen des das Heizergehäuse 4 ausbildenden Materials und damit eine gleichmäßigere Verbindung zwischen dem Heizergehäuse und den Innenflächen 118. Darüber hinaus kann das PTC-Element 12 mittig zu der Aufnahmetasche 116 angeordnet werden, sodass auf beiden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes 12 gleiche Wärmeaustragsbedingungen herrschen. Die Hauptseitenfläche ist dabei diejenige Fläche, die sich in Längsrichtung und in Breitenrichtung des PTC-Elementes 12 erstreckt.
Bei der Variante nach Figur 4 sind eine Vielzahl von Fixierungslippen 28 gegenüberliegend zu den Hauptseitenflächen des PTC-Elementes 12 ausgebildet. Diese beschränken sich auf den oberen Bereich des PTC-Elementes 12. Ansonsten entspricht die in Figur 4 dargestellte dritte Variante der zweiten Variante nach Figur 3.
Bei der vierten Variante nach Figur 5 sind Fixierungslippen 28 allein im Bereich des Heizergehäusebodens 8 ausgebildet. Diese Fixierungslippen 28 verformen sich unter anderem im Boden der Aufnahmetasche 116. Auch hier sind zwei Anlageflächen 26 ausgeformt. Die Außenflächen der Schenkel 6 sind konvex.
Die in Figur 6 gezeigte Variante kombiniert die Variante nach den Figuren 4 und 5.
Die Figur 7 zeigt eine Ansicht der gesamten Breitenerstreckung der Aufnahmetasche 116 und der PTC-Heizeinrichtung 12. Stirnseitig der PTC-Heizeinrichtung verbleibt ein gewisser Spalt zu der stirnseitigen Begrenzung der Aufnahmetasche 116. Nach Einbringen der PTC-Heizeinrichtung 2 in die Aufnahmetasche 116 kann der verbleibende Freiraum innerhalb der Aufnahmetasche 116 mit einer gut wärmeleitfähigen, üblicherweise elektrisch isolierenden Masse ausgefüllt werden.
Figur 7 verdeutlicht einen nach innen gerichteten Verriegelungsvorsprung 32. Dieser Verriegelungsvorsprung 32 liegt in dem fertigen Erzeugnis üblicherweise flächig in Richtung auf das PTC-Element 12, konkret gegen die Isolierlage 22 an. Der Verriegelungsvorsprung 32 kann nach Art eines Widerhakens wirken, der ein unbeabsichtigtes Herauslösen des PTC-Elementes 12 aus dem Heizergehäuse 4 verhindert. Nach der plastischen Verformung des Heizergehäuses 4 ist dieser Verriegelungsvorsprung 32 im Grunde in eine ebene Anlagefläche integriert, die sich parallel zu einer Hauptseitenfläche des PTC-Elementes 12 erstreckt und vorliegend eine Anlagefläche für die Isolierlage 22 ausformt.

Bezugszeichenliste

2: PTC-Heizeinrichtung
4: Heizergehäuse
6: Schenkel
8: Heizergehäuseboden
10: Kontaktblech/Leiterbahnen
12: PTC-Element
14: Anschlussfahne
16: Positionsrahmen
18: Oberer Rahmenholm
20: Unterer Rahmenholm
22: Isolierlage
26: Anlagefläche
28: Fixierungslippe
30: Kunststoffsteg
32: Verriegelungsvorsprung
100: Gehäuse
102: Gehäuseboden
104: Gehäusebasis
106: Gehäusedeckel
108: Trennwand
110: Zirkulationskammer/Heizkammer
112: Anschlusskammer
114: Heizrippe
116: Aufnahmetasche
118: Innenfläche
120: Anschlussstutzen

Claims

Elektrische Heizvorrichtung umfassend:
ein Gehäuse (100) mit einer Trennwand (108), die eine Anschlusskammer (112) von einer Heizkammer (110) zur Abgabe von Wärme unterteilt und von der zumindest eine als Heizrippe (114) in die Heizkammer (110) hineinragende Aufnahmetasche (116) abragt, in der eine PTC-Heizeinrichtung (2) mit zumindest einem PTC-Element (12) und zur Bestromung des PTC-Elementes (12) mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnen (10), die in der Anschlusskammer (112) elektrisch angeschlossen sind, aufgenommen sind, wobei das PTC-Element (12) und zumindest eine der Leiterbahnen (10) in einem Heizergehäuse (4) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet,

dass das Heizergehäuse (4) unter plastischer Verformung des Heizergehäuses (4) und/oder der Aufnahmetasche (116) in die Aufnahmetasche (116) eingepresst ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (4) mit der Aufnahmetasche (116) stoffschlüssig verbunden und bevorzugt kaltverschweißt ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine gegen die Aufnahmetasche (116) anliegende Fläche des Heizergehäuses (4) konvex ausgebildet ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine durch eine Hinterschneidung an dem Heizergehäuse (4) gebildete Fixierungslippe (28), die durch das Einpressen des Heizergehäuses (4) in der Aufnahmetasche (116), die in Dickenrichtung durch einander gegenüberliegende Innenflächen (118) begrenzt ist, zumindest abschnittsweise plastisch verformt und an eine Innenfläche (118) der Aufnahmetasche (116) angelegt ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (2) zwei Schenkel (6) und einen, die Schenkel (6) miteinander verbindenden Heizergehäuseboden (8) aufweist, wodurch ein im Wesentlichen U- oder V-förmiger Aufnahmeraum für das PTC-Element (12) und die zumindest eine Leiterbahn (10) gebildet ist, und dass mindestens eine Fixierungslippe (28) an wenigstens einem der Schenkel (6) und/oder zwei an gegenüberliegenden Seiten des Heizergehäusebodens (8) ausgebildete Fixierungslippen (28) vorgesehen sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (4) an einem in Einpressrichtung hinteren Ende eine zum Ansetzen eines Presswerkzeugs angepasst eingerichtete Anlagefläche (26) aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (4) zumindest einen nach innen gerichteten Verriegelungsvorsprung (32) aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse im Strangzieh- oder Strangpressverfahren hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Trennwand, die eine Anschlusskammer von einer Heizkammer zur Abgabe von Wärme trennt und von der zumindest eine als Heizrippe in die Heizkammer hineinragende Aufnahmetasche abragt, in der eine PTC-Heizeinrichtung mit zumindest einem PTC-Element und zur Bestromung des PTC-Elementes mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundene Leiterbahnen, die in der Anschlusskammer elektrisch angeschlossen sind, aufgenommen ist, wobei bei dem Verfahren das PTC-Element (12) und zumindest eine der Leiterbahnen (10) in ein Heizergehäuse (4) der PTC-Heizeinrichtung (2) und in die Aufnahmetasche (116) eingebracht wird und das Heizergehäuse (4) unter plastischer Verformung des Heizergehäuses (4) und/oder der Aufnahmetasche (116) in die Aufnahmetasche (116) eingepresst und bevorzugt mit der Aufnahmetasche (116) kaltverschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (4) so in die Aufnahmetasche (116) eingebracht wird, dass ein Heizergehäuseboden (8) im Boden der Aufnahmetasche (116) plastisch verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Element (12) und die zumindest eine Leiterbahn (10) in das Heizergehäuse (4) zunächst eingebracht werden und das so bestückte Heizergehäuse (4) in die Aufnahmetasche (116) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizergehäuse (4) zum Einbringen von einem Einbringwerkzeug gegriffen wird, durch welches das Heizergehäuse (4) unter elastischer oder plastischer Verformung vor dem Einbringen des Heizergehäuses (4) in die Aufnahmetasche (116) gegen das PTC-Element (12) angelegt wird.