EP4084577B1

EP4084577B1 - Elektrische heizvorrichtung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: EP4084577B1
Application number: EP22169742.8A
Authority: EP
Inventors: Patrick Kachelhoffer
Original assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2025-12-03
Anticipated expiration: 2042-04-25
Also published as: US12513785B2; EP4084577A3; US20220346195A1; EP4084577A2; DE102021110624A1; CN115250550A; CN115250550B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit einem Gehäuse, das eine Aufnahmetasche ausbildet, in der zumindest eine PTC-Heizeinrichtung aufgenommen ist. Die PTC-Heizeinrichtung hat einen Positionsrahmen, in dem zumindest ein PTC-Element aufgenommen ist. Des Weiteren sind elektrisch mit dem PTC-Element verbundene Leiterbahnen vorgesehen sowie ein Heizergehäuse.
Bei dem zuvor erwähnten Stand der Technik dient der Positionsrahmen der Halterung des PTC-Elementes sowie der Anordnung der Leiterbahnen. EP 2 637 474 A1 bzw. EP 2 337 425 A1 offenbaren jeweils PTC-Elemente, die in eine entsprechende Aufnahmetasche eingebracht sind. Die dazu vorgesehenen elektrischen Heizvorrichtungen haben ein Gehäuse mit einer Trennwand, die eine Anschlusskammer von einer Heizkammer zur Abgabe von Wärme trennt und von der zumindest eine Heizrippe in Richtung auf die Heizkammer abragt, die die Aufnahmetasche ausbildet, in der die PTC-Heizeinrichtung aufgenommen ist.
Eine solche Ausgestaltung kann auch bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Die den Oberbegriff abbildende EP 2 637 474 A1 offenbart dabei eine PTC-Heizeinrichtung, die ein Keilelement in baulicher Einheit fügt, welches auf einer Hauptseitenfläche des zumindest einen PTC-Elementes vorgesehen ist. Nach dem Einbringen der PTC-Heizeinrichtung in die Aufnahmetasche wird das Keilelement verschoben, um das PTC-Element gut wärmeleitend mit den Innenflächen der Aufnahmetasche zu verbinden.
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 Innenfläche der Aufnahmetasche mit einem keilförmigen Druckelement in dieser verspannt. Dieses Keilelement trägt dafür Sorge, dass die Lagen des Schichtaufbaus geklemmt gegeneinander angelegt sind. Bei diesen Lagen handelt es sich zumindest um das bzw. 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 Keilelementes 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.
So wird für eine gute Wärmeauskopplung gesorgt. Allerdings besteht das Problem, dass die Aufnahmetasche aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht immer der ausgelegten Form entspricht.
Die PTC-Elemente unterliegen ferner fertigungsbedingt gewissen 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 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.
EP 4 064 788 B2 , EP 3 228 950 B1 , US 2021/033303 A1 , EP 3 290 819 A1 betreffen jeweils eine elektrische Heizvorrichtung mit einem PTC-Element, einem wärmeleitend mit dem PTC-Element verbundenen Profilteil sowie mit einer Aufnahmetasche dafür. Die EP 3 731 595 A1 und DE 201 21 116 U1 betreffen jeweils eine elektrische Heizvorrichtung mit einem PTC-Element.Die vorliegende Erfindung will eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs genannten Art angeben, die in verbesserter Weise Fertigungstoleranzen ohne erhebliche Beeinträchtigungen des Wärmeaustrags aus dem PTC-Element ausgleichen kann und die sich wirtschaftlich herstellen lässt.
Zur Lösung dieses Problems schlägt die vorliegende Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
Bei der elektrischen Heizvorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Das Gehäuse ist üblicherweise ein zur Erwärmung eines flüssigen Mediums geeignet ausgebildetes Gehäuse, welches hierzu Ein- und Auslassstutzen hat, die Heizkammer aber ansonsten abdichtet. Eine Trennwand trennt bevorzugt eine Anschlusskammer fluiddicht von einer Heizkammer. Die Trennwand ist von einem oberen Ende der PTC-Heizeinrichtung durchragt. Üblicherweise sind mehrere PTC-Heizeinrichtungen vorgesehen, die als Heizrippen in die Heizkammer hineinragen. Das in die Anschlusskammer hineinragende Ende der PTC-Heizeinrichtung umfasst üblicherweise Kontaktzungen, die in der Anschlusskammer elektrisch kontaktiert sind, wozu bevorzugt eine Kontaktierungseinrichtung vorgesehen ist, die die unterschiedlichen PTC-Heizeinrichtungen durch Gruppieren der Kontaktzungen zu Heizkreisen zusammenfasst und mit Kontaktzungen versehen ist, die in der Ausrichtung der Kontaktzungen der PTC-Heizeinrichtungen in eine bestückte Leiterplatte hineinragen. Diese bestückte Leiterplatte steuert den Leistungsstrom zum Erwärmen der PTC-Heizeinrichtung und bildet üblicherweise eine Steuereinrichtung aus; vgl. EP 2 440 004 A1 bzw. EP 1 872 986 A1 .
Das Gehäuse kann aber auch durch ein Strangprofil gebildet sein, welches eine zu beiden Seiten offene Aufnahmetasche ausbildet, wobei die Innenfläche der Aufnahmetasche durch eine Trennwand gebildet wird, die eine sich parallel zu der Aufnahmetasche erstreckende Heizkammer ausbildet, welche das zu erwärmende Fluid führt. Es können mehrere Profile in dieser Weise nebeneinander angeordnet sein, so dass eine Parallelströmung für das zu erwärmende Fluid vorbei an verschiedenen Aufnahmetaschen geführt wird, wie dies beispielsweise aus EP 0 899 985 A1 grundsätzlich bekannt ist. Dabei kann die Aufnahmetasche zwischen zwei gefügten Profilen ausgebildet werden. Die Aufnahmetasche kann aber auch innerhalb eines einheitlichen Strangpressprofils ausgebildet sein.
Nach der vorliegenden Erfindung ist in der Aufnahmetasche und zwischen der PTC-Heizeinrichtung auf einer Innenseite der Aufnahmetasche jeweils ein Profilteil vorgesehen. Dieses Profilteil dient dem Ausgleich von Spannungsspitzen beim wärmeleitenden Verspannen des PTC-Elementes in der Aufnahmetasche, wozu noch im Weiteren näher erläuterte Ausgestaltungen der Profilteile zu bevorzugen sind.
Nach der vorliegenden Erfindung sind die Profilteile jedenfalls mit dem Positionsrahmen verbunden. Der Positionsrahmen fügt dabei zumindest das PTC-Element, welches in an sich bekannter Weise in einer Aufnahme, die durch den Positionsrahmen gebildet ist, aufgenommen ist. Der Positionsrahmen positioniert ferner Leiterbahnen, üblicherweise in Form von Kontaktblechen, die an einer Seite den Positionsrahmen zur Ausbildung von Kontaktzungen überragen. Die Leiterbahnen können mit dem Positionsrahmen stoff- oder formschlüssig verbunden sein. Die Profilteile sind in der Regel unmittelbar mit dem Positionsrahmen mechanisch gekoppelt und/oder fest regelmäßig unverlierbar und/oder unverschieblich damit verbunden.
An der Außenseite der Leiterbahnen sind üblicherweise die Isolierlagen, bevorzugt in Form von Keramikplatten vorgesehen, so dass eine das PTC-Element und die beiden Kontaktflächen umfassende Heizzelle elektrisch isolierend zwischen den beiden Isolierlagen aufgenommen ist. An der Außenseite der Isolierlagen befinden sich üblicherweise die Profilteile. Diese sind gemäß der Erfindung mit dem Positionsrahmen verbunden. Durch die Verbindung der Profilteile mit dem Positionsrahmen erfolgt üblicherweise auch eine Positionierung der Isolierlagen. Eine der Isolierlagen kann beispielsweise zwischen dem Profilteil und der zugeordneten Leiterbahn kraftschlüssig gehalten, beispielsweise geklemmt sein. Alternativ können mit den Profilteilen zusammenwirkende Befestigungssegmente des Positionsrahmens auch die Leiterbahnen und/oder die Isolierlagen in Position halten. Durch das Verbinden der Profilteile mit den Positionsrahmen ist eine als bauliche Einheit zu handhabende PTC-Heizeinrichtung geschaffen, die nach Vormontage als solches in die Aufnahmetasche eingebracht werden kann.
Die Profilteile können dabei mit dem Positionsrahmen verklipst sein. Dazu hat der Positionsrahmen üblicherweise eine Rastklinke, die das jeweilige Profilteil hintergreift. Weiter bevorzugt hat der Positionsrahmen einen einseitig von den Kontaktzungen überragten oberen Querholm und einen gegenüberliegend dazu vorgesehenen unteren Querholm. Von den Querholmen ragen nach dieser bevorzugten Weiterbildung jeweils Formschlusssegmente ab, die die zugeordneten Profilteile übergreifen. Dabei sind zumindest die einem Querholm zugeordneten Formschlusssegmente üblicherweise als Rastklinken ausgebildet, so dass die Profilteile durch Verklipsen mit dem Positionsrahmen und damit auf einfache Weise verbunden werden können.
Es versteht sich, dass der Positionsrahmen üblicherweise aus einem elektrisch nicht-leitenden Material hergestellt ist, beispielsweise aus Kunststoff, dabei bevorzugt spritzgegossen ist. Die Profilteile sind üblicherweise als Strangpressprofile und aus Metall ausgebildet, bevorzugt aus Aluminium gebildet. Jedes der Profilteile ist bevorzugt in der Aufnahmetasche über eine Nut-Feder-Verbindung verbunden. Die Nut-Feder-Verbindung erstreckt sich in Einbringrichtung der Aufnahmetasche.
Dies bedeutet, dass in einer Querschnittsansicht quer zur Einbringrichtung von der Innenseite der Aufnahmetasche zumindest eine Nut abragt bzw. an dieser Innenseite eine Feder vorgesehen ist, in welche eine von dem Profilteil abragende Feder eingreift. In dem erstgenannten Fall hat das Profilteil eine Nut, in welche die der Heizrippe zugeordnete Feder eingreift. Die Nut bzw. die Feder erstreckt sich in Einbringrichtung. Beim Einbringgen des Profilteils üblicherweise zusammen mit der PTC-Heizeinrichtung wird die Nut in die zugehörige Feder gedrängt. Nut und Feder gleiten in Einbring- und ihrer Längsrichtung aneinander vorbei. Die Nut und/oder die Feder können elastische Eigenschaften aufweisen. Hierdurch findet ein gewisser Toleranzausgleich statt. Die Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element bis zu der in der Heizkammer freiliegenden Außenfläche der Heizrippe erfolgt über die Nut-Feder-Verbindung.
So ist es zu bevorzugen, eine Vielzahl von Nut-Feder-Verbindungen zumindest zwischen einer der Hauptseitenflächen des PTC-Elementes und der gegenüberliegenden Innenfläche der Aufnahmetasche vorzusehen. Als Hauptseitenfläche des PTC-Elementes wird dabei in einer Querschnittsansicht quer zur Einbringrichtung die größte Erstreckung des PTC-Elementes angesehen. Das PTC-Element ist üblicherweise quaderförmig ausgebildet. Die Hauptseitenfläche spannt die Breite des PTC-Elementes auf. In der besagten Querschnittsansicht verläuft rechtwinklig zu der Breite die Dicke des PTC-Elementes. Rechtwinklig zu der durch die Breite und die Dicke aufgespannten Ebene und im Grunde in Einbringrichtung verläuft die Längserstreckungsrichtung des PTC-Elementes bzw. der PTC-Heizeinrichtung. Diese Längserstreckungsrichtung entspricht der Einbringrichtung der PTC-Heizeinrichtung in die Aufnahmetasche.
Wie zuvor erwähnt ist die Nut-Feder-Verbindung in der Lage, gewisse Fertigungstoleranzen durch Verformung im Bereich der Nut-Feder-Verbindung auszugleichen. Die üblicherweise Vielzahl von Nut-Feder-Verbindungen zwischen Hauptseitenflächen des PTC-Elementes und der gegenüberliegenden Innenflache der Aufnahmetasche hält dabei eine gute Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element aufrecht.
So erlaubt die erfindungsgemäße Lösung einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen ohne die Wärmeauskopplung aus dem PTC-Element zu beeinträchtigen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein die Nut begrenzender Nutbegrenzungsvorsprung und/oder ein die Feder zumindest teilweise ausbildender Federvorsprung um eine sich im Wesentlichen in Einbringrichtung erstreckende Achse verschwenkbar. Diese Schwenkbarkeit wird durch zumindest einen freistehenden Nutbegrenzungsvorsprung bzw. einen freistehenden Federvorsprung bewirkt. Der entsprechende Vorsprung kann über einen verhältnismäßig dünnen Steg an die Aufnahmetasche bzw. das Profilteil angebunden sein. Durch die Ausrichtung und Formgebung des Steges lässt sich die Verschwenkachse und die Verschwenkbarkeit des Vorsprungs definiert einstellen. Die Verschwenkbarkeit ist in der Regel zumindest elastisch, ggf. auch plastisch.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat das Profilteil eine U-förmige Aufnahme für die PTC-Heizeinrichtung. Diese Aufnahme nimmt üblicherweise das PTC-Element, die Leiterbahnen und etwaig vorgesehene Isolierlagen, die insbesondere die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes unmittelbar oder mittelbar abdecken, in sich auf.
Das Profilteil kann ein Strangpressprofilteil sein. Es ist bevorzugt aus Aluminium ausgebildet. Dies macht es erforderlich, zumindest eine Isolierlage zwischen dem PTC-Element und einer Innenfläche des Profilteils vorzusehen, gegen welche die PTC-Heizeinrichtung wärmeleitend anliegt.
Im Hinblick auf eine möglichst symmetrische Wärmeauskopplung und einen gleichmäßigen Toleranzausgleich wird mit einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, Nut-Feder-Verbindungen zwischen jeder Hauptseite des PTC-Elementes und der gegenüberliegenden Innenseite der Aufnahmetasche vorzusehen. Die entsprechenden Nut-Feder-Verbindungen sind dementsprechend bevorzugt benachbart zu den beiden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes ausgebildet.
Im Hinblick auf eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Profilteil und der Innenseite der Aufnahmetasche wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass zumindest ein die Nut begrenzender Nutbegrenzungsvorsprung und/oder zumindest ein die Feder zumindest teilweise ausbildender Federvorsprung zu seinem freien Ende hin keilförmig zulaufend ausgebildet ist. Der Federvorsprung und die damit zusammenwirkende Oberfläche des Nutbegrenzungsvorsprungs sind dabei so ausgeformt, dass sich eine flächige Anlage zwischen beiden ergibt. Durch die Keilform wird die elastische Verschwenkbewegung von einem der Vorsprünge beim Fügen gefördert. Dabei geht auch die vorliegende Erfindung davon aus, dass die Aufnahmetasche sich bevorzugt zu ihrem unteren geschlossenen Ende hin keilförmig verjüngt. In entsprechender Weise kann auch die Nut-Feder-Verbindung in Einbringrichtung keilförmig ausgeformt sein, so dass sich in jeder Querschnittsebene quer zur Einbringrichtung der PTC-Heizeinrichtung in die Aufnahmetasche in etwa die gleiche Überdeckung im Bereich der Nut-Feder-Verbindung ergibt.
Bevorzugt ist zumindest ein die Nut begrenzender Nutbegrenzungsvorsprung und/oder zumindest die Feder zumindest teilweise ausbildender Federvorsprung einteilig an der Aufnahmetasche ausgebildet. Diese Vorgabe gilt bevorzugt auch für das Profilteil, welches bevorzugt als Strangpressprofil ausgeformt ist und ein unterseitiges Filmscharnier haben kann, so dass einander gegenüberliegende Schenkel des Profilteils gegenüberliegend zu der Anschlusskammer miteinander verbunden sind. Dies verringert die Anzahl der zu handhabenden Teile.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Profilteil und einer Hauptseitenfläche des PTC-Elementes zumindest ein Kompressionselement vorgesehen. Bei einem U-förmig ausgebildeten Profilteil ist das Kompressionselement innerhalb des Profilteils vorgesehen. Bevorzugt ist zwischen den beiden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes und den Innenflächen des Profilteils je ein Kompressionselement vorgesehen. Das Kompressionsteil kann durch eine aus einem Metall gebildete Feder ausgeformt sein. Die Feder erstreckt sich üblicherweise vollflächig in einer Querschnittsansicht quer zur Einbringrichtung über die Hauptseitenfläche. Sie ist bevorzugt zwischen einer Innenfläche des Profilteils und einer Isolierlage vorgesehen, die an der Außenseite die PTC-Heizeinrichtung abdeckt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist in die Aufnahmetasche ein aushärtender Kleber eingebracht. Dieser ist zumindest teilweise in der Nut-Feder-Verbindung aufgenommen und dort ausgehärtet. So werden die PTC-Heizeinrichtung und das Profilteil in der Aufnahmetasche durch den Kleber gesichert. Der Kleber kann ein Kunststoffkleber mit guter Wärmeleitfähigkeit sein. Er kann beispielsweise ein Silikonkleber sein, dem gut wärmeleitende Partikel, beispielsweise Aluminiumoxidpartikel zugemischt worden sind. So verbessert der Kleber auch die Wärmeausleitung aus dem PTC-Element. Es versteht sich, dass die gesamte Aufnahmetasche mit Kleber ausgefüllt sein kann. Der Kleber ist bevorzugt ein elektrisch isolierender Kleber.
Mit ihrem nebengeordneten Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer PTC-Heizeinrichtung der eingangs genannten Art vor. Bei diesem Verfahren werden die außenseitig gegen die Leiterbahnen angelegten Isolierlagen über den Positionsrahmen vorläufig gehalten. Der Positionsrahmen bildet dementsprechend eine Montagehilfe zur Vorpositionierung der Isolierlagen. Diese Isolierlagen sind üblicherweise für sich formsteif und beinhalten üblicherweise zumindest eine Keramiklage, die ein- oder beidseitig weitere Lagen beispielsweise in Form einer Kunststofffolie aufweisen kann. Gegen die Außenseite der Isolierlagen werden Profilteile angelegt, so dass sich zumindest eine der Isolierlagen zwischen jeweils einem Profilteil und der üblicherweise von der Isolierlage abgedeckten Leiterbahn befindet. Das Profilteil wird in der zuvor beschriebenen Weise bei dem erfindungsgemäß Verfahren mit dem Positionsrahmen gefügt. So ist das Profilteil am Ende der Montage des Profilteils an dem Positionsrahmen gehalten. Das Profilteil hält dabei auch die Isolierlage. So wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bauliche Einheit geschaffen, die für sich im Rahmen der Montage der elektrischen Heizvorrichtung handhabbar ist und den Positionsrahmen, das mindestens ein PTC-Element, die damit elektrisch leitend verbundenen Leiterbahnen und die Isolierlagen sowie die Profilteile umfasst. Auf beiden Seiten PTC-Elementes befindet sich dabei zumindest eine Isolierlage und ein Profilteil.
Dabei kann der Positionsrahmen zusätzlich noch formschlüssig mit den Leiterbahnen verbunden sein, insbesondere wenn diese in Form von Kontaktblechen ausgebildet sind.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer PTC-Heizeinrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der PTC-Heizeinrichtung nach Fig. 1 mit einem ausschnittsweise gezeigten Gehäuse einer elektrischen Heizvorrichtung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Teils der elektrischen Heizvorrichtung;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß der Darstellung in Fig. 3; und
Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß Figur 4 für eine Variante.

Die Figur 1 zeigt eine PTC-Heizeinrichtung 2 mit einem PTC-Element 4, an dessen Hauptseitenflächen jeweils Leiterbahnen 6 in Form von Blechstreifen anliegen, die auf der dem PTC-Element 4 gegenüberliegenden Außenfläche von Isolierlagen 8 abgedeckt sind, die vorliegend aus Keramikplatten bestehen. Bezugszeichen 10 kennzeichnet einen aus Kunststoff hergestellten spritzgegossenen Positionsrahmen, der zwischen zwei Querholmen, von denen der obere Querholm mit Bezugszeichen 12 und der untere Querholm mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet ist, und zwei sich rechtwinklig zu den Querholmen 12, 14 erstreckenden Längsholmen 16 eine Aufnahme 18 für das PTC-Element 4 ausbildet. Die die Leiterbahnen 6 ausformenden Kontaktbleche haben einteilig durch Stanzen daran ausgeformte Kontaktzungen 20, die in Längserstreckungsrichtung des oberen Querholmes 12 an gegenüberliegenden Enden des Positionsrahmens 10 vorgesehen und in Durchführöffnungen des oberen Querholmes 12 aufgenommen sind.
Von den Querholmen 12 ragen an ihren äußeren Enden jeweils gegenüberliegend Formschlusssegmente 22 mit Rastklinken 24 ab. Diese speziellen Formschlusssegmente 22 überragen in Breitenrichtung den oberen Querholm 12.
Die Formschlusssegmente 22 bzw. die Rastklinken 24 befinden sich am äußeren Rand des Positionsrahmens 10 in Verlängerung der Längsholme 16 und damit außerhalb der Hauptseitenfläche des PTC-Elementes 4. Die Hauptseitenfläche des PTC-Elementes 4 ist dabei durch die jeweils größte Fläche des quaderförmigen PTC-Elementes 4 gebildet. Vorliegend erstrecken sich die anderen Flächen zwischen den beiden Hauptseitenflächen als umlaufender Rand.
Die Rastklinken 24 übergreifen mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnete Profilteile, die durch stranggepresste Aluminiumelemente gebildet sind. Durch die Formschlusssegmente 22, 24 sind die Profilteile 26 unverlierbar mit dem Positionsrahmen 10 verbunden. Die Rastklinken 24 haben wie üblich eine vordere Rampenfläche, die die Rastklinken 24 beim Aufdrücken der Profilteile 26 weiten und nach dem Anlegen der Profilteile 26 gegen die Außenfläche der Isolierlagen 8 zurückfedern, um die Profilteile 26 zu hintergreifen. Dadurch sind die Profilteile 26 mit dem Positionsrahmen 10 verbunden. Die Isolierlagen 8 sind so dimensioniert, dass diese ebenfalls zwischen die Formschlusssegmente 22 passen, gegebenenfalls auch in der zuvor beschriebenen Weise verrastet sind, jedenfalls aber zwischen den formschlüssig gehaltenen Profilteilen 26 jeweils geklemmt sind.
Im Rahmen der Montage wird dementsprechend üblicherweise auf einer Seite des Positionsrahmens 12 ein die Leiterbahn 6 ausbildendes Kontaktblech mit dem Positionsrahmen 12 verbunden, vorliegend indem das Kontaktblech mit seiner Kontaktzunge in die Durchführöffnung des oberen Querholmes 12 eingeführt wird. Die Formschlusssegmente 22 umgreifen danach die Leiterbahn 6. Die Aufnahme 18 ist danach einseitig verschlossen. In diese Aufnahme wird danach das PTC-Element 4 eingelegt.
Anschließend wird beispielsweise auf der mit der Leiterbahn 6 versehenen Seite die zugeordnete Isolierlage 8 gegen die entsprechende Leiterbahn 6 angelegt. Die Isolierlage wird dabei zwischen die Rastklinken 24 bzw. den Formschlusssegmenten 22 angeordnet, die für eine Vorpositionierung und Halterung der Isolierlage 8 sorgen, die nach dem Ausführungsbeispiel durch eine Keramikplatte gebildet ist. Danach wird von derselben Seiten das Profilteil 26 gegen den Positionsrahmen 10 angelegt und über die Formschlusssegmente 22, 24 mit dem Positionsrahmen 10 verbunden.
Auf der gegenüberliegenden Seite mag danach die andere Leiterbahn 6, die dieser Leiterbahn 6 zugeordnete Isolierlage 8 und schließlich das dort vorgesehene Profilteil 26 in zuvor beschriebenen Weise montiert werden. Auch hier hält der Positionsrahmen 12 vor der endgültigen Verriegelung des Profilteiles 26 an dem Positionsrahmen die Isolierlage 8 bzw. die Leiterbahn 6 in einer für die Montage günstigen Position.
Die in dieser Weise vorbereitete PTC-Heizeinrichtung 2 ist in Fig. 2 im zusammengebauten Zustand zu erkennen. Ersichtlich sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur die dem oberen Querholm 12 zugeordneten Formschlusssegmente 22 als Rastklinken ausgebildet. Die an dem unteren Querholm 14 vorgesehenen Formschlusssegmente 22 übergreifen lediglich die Profilteile 26.
In Fig. 2 ist rechts neben der PTC-Heizeinrichtung 2 ein Gehäuse 100 einer in den nachstehenden Figuren mit Bezugszeichen 98 gekennzeichneten elektrischen Heizvorrichtung zu erkennen. Das Gehäuse 100 bildet Aufnahmetaschen 102 aus. In jeder der Aufnahmetaschen 102 passt eine einzige PTC-Heizeinrichtung 2. Die Aufnahmetaschen 102 sind endseitig jeweils hammerkopfartig ausgebildet und lassen somit Raum für das Einbringen der Formschlusssegmente 22, 24. Dazwischen wirkt eine nachstehend noch näher erläuterte Struktur der Aufnahmetasche 102 mit einer an der Außenfläche der Profilteile 26 vorgesehenen Struktur zusammen, um einerseits die PTC-Heizeinrichtung mit gewisser Vorspannung und damit gut wärmeleitend in der Aufnahmetasche 102 anzuordnen, andererseits aber eine übermäßige Beanspruchung der zwischen den Profilteilen 26 vorgesehenen Elemente der PTC-Heizeinrichtung 2 zu verhindern. Die Isolierlagen 8 und das PTC-Element 4 sind keramische Bauteile und dementsprechend nur bedingt in der Lage, punktuelle Beanspruchungen oder Biegebeanspruchung durch elastische Verformung auszugleichen.
Die Figur 3 zeigt die wesentlichen Bestandteile der elektrischen Heizvorrichtung 98 mit einem Gehäuse 100 aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorliegend druckgegossenem Aluminium. Das Gehäuse 100 bildet eine eine Heizkammer 104 umfänglich umgebende Wand 105 aus. In Fig. 2 ist die Heizkammer 104 unterseitig noch offen, da ein das Gehäuse 100 unterseitig verschließender Boden in Fig. 3 nicht dargestellt ist. Entsprechendes gilt für einen Steuergehäusedeckel, der auf der gegenüberliegenden Seite mit dem Gehäuse 100 verbunden wird, um eine mit Bezugszeichen 106 gekennzeichnete Anschlusskammer abzudecken und zu umgeben. Zwischen der Heizkammer 104 und der Anschlusskammer 106 bildet das Gehäuse 100 einteilig eine Trennwand 108 aus. Von dieser Trennwand 108 ragen Heizrippen 110 in die Heizkammer 102 hinein. Die Heizrippen 110 sind an ihrem unteren, in die Heizkammer 102 hineinragenden Ende verschlossen. Wie die Schraffur in Fig. 3 verdeutlicht, sind die Heizrippen 110 zusammen mit der Trennwand 108 und der Wand 105 aus einem einteiligen druckgegossenen Aluminiumgehäuse 100 geformt.
Die Heizrippen 110 bilden eine sich keilförmig nach unten verjüngende Aufnahmetasche 102 aus. In dieser Aufnahmetasche 102 ist die mit Bezugszeichen 2 gekennzeichnete PTC-Heizeinrichtung aufgenommen. Wie die Schnittansicht gemäß Fig. 4 verdeutlicht, umfasst die PTC-Heizeinrichtung 114 ein PTC-Element 116, an dessen Hauptseitenflächen Leiterbahnen 118 anliegen, die vorliegend ein Drahtgewebe aus einem elektrisch leitenden Material aufweist. Auf der dem PTC-Element 116 gegenüberliegenden Seite der Leiterbahn 118 befindet sich eine Isolierlage 120, die durch eine Keramikschicht und/oder eine isolierende Kunststofffolie gebildet sein kann. Der Spalt zwischen der Isolierlage 120 und dem PTC-Element 116 wird insgesamt von der Leiterbahn 118 ausgefüllt. Dazu sind die Freiräume zwischen dem Drahtgewebe mit einem gut wärmeleitenden Kleber ausgefüllt, der ebenfalls in der Ebene der Leiterbahn 118 vorgesehen wird und als der Leiterbahn 118 zugehörig zu verstehen ist. Das Drahtgewebe überragt das PTC-Element zur Ausbildung von Kontaktzungen 122, die in Fig. 3 gezeigt sind. Ansonsten wurden die einzelnen Lagen des geschichteten Aufbaus zwischen dem PTC-Element 116 und dem Profilteil 126 aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung in Figur 3 in Form jeweils einer geschnitten dargestellten Schicht zwischen dem jeweiligen Profilteil 126 und dem PTC-Element 116 zusammengefasst.
Die Kontaktzungen 122 liegen in der Anschlusskammer 106 frei. Das PTC-Element 116 und die Isolierlage 120 sind durch Haftvermittlung der Leiterbahn 118 zu einer Einheit gefügt. An der Außenseite dieser PTC-Heizeinrichtung 114 befinden sich in Fig. 4 zu erkennende Kompressionselemente 124 in Form von gewellten Federblechen.
Die Figur 4 lässt Details der jeweiligen Profilteile 126 erkennen, die vorliegend identisch ausgebildet sind. Gegen die Innenseiten dieser Profilteile 126 liegen jeweils die Kompressionselemente 124 an.
Von den Außenseiten der Profilteile 126 ragen jeweils Nutbegrenzungsvorsprünge 132 ab, die paarweise jeweils zwischen sich eine Nut 134 einschließen. Wie insbesondere Fig. 4 verdeutlicht, sind an der Außenseite der Hauptseitenflächen der Profilteile 126 eine Vielzahl von identisch ausgebildeten Nuten 134 in dieser Form ausgespart. Die Nuten 134 erstrecken sich in Einbringrichtung der Aufnahmetasche 102, die in Fig. 3 mit E gekennzeichnet ist.
Einer Innenfläche 136 der Aufnahmetasche 102 weist vorspringende Federvorsprünge 138 auf. Diese Federvorsprünge 138 sind einteilig an dem druckgegossenen Gehäuse 100 angeformt. Wie die Querschnittsansicht gemäß Fig. 4 vermittelt, laufen die Federvorsprünge 138 zu ihrem freien Ende hin keilförmig zu. In entsprechender Weise sind auch die Nutbegrenzungsvorsprünge 132 zu ihrem freien vorderen Ende hin keilförmig zulaufend ausgebildet. Es versteht sich, dass lediglich die die Nut 134 jeweils begrenzenden Flächen der Nutbegrenzungsvorsprünge 132 eine solche Gestaltung haben. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes sind in Fig. 4 auf der rechten Seite die Federvorsprünge 138 weggelassen.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel werden im Rahmen der Montage zunächst der Positionsrahmen 128 mit dem PTC-Element 116, den Leiterbahnen 118 und den Isolierlagen 120 sowie den Kompressionselementen 124 und den Profilteilen 126 bestückt. Danach wird die so vormontierte PTC-Heizeirichtung 114 in die Aufnahmetasche 102 eingesetzt. Dabei greifen die Federvorsprünge 138 in die ihnen zugeordneten Nuten 134 ein. Es ergibt sich eine aus dem Vergleich der rechten zu der linken Seite nach Fig. 4 zu erkennende Verformung im Bereich der Nutbegrenzungsvorsprünge 132. Durch diese erfolgt ein gewisser Toleranzausgleich. Zusätzlich wird zum Toleranzausgleich das Kompressionselement 124 verformt. Idealerweise liegt das Kompressionselement 124 nach erfolgter Montage im Wesentlichen vollflächig einerseits gegen die Innenfläche des Profilteils 26 und andererseits gegen die Außenseite der Isolierlage 120 an.
Das Kompressionselement 124 kann aus Aluminium, Kupfer, Kupferberyllium oder einem anderen gut wärmeleitfähigen dauerhaft elastische Vorspannkräfte aufbringenden Werkstoff bestehen.
Verbleibende Hohlräume in der Aufnahmetasche 102 können durch eine gut wärmeleitfähige Masse, beispielsweise eine mit wärmeleitenden Partikeln gefüllte aushärtende Kunststoffmasse ausgefüllt werden.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Variante sind die Nutbegrenzungsvorsprünge 132 über einen relativ dünnen Steg 140 an dem übrigen Profilteil 26 angebunden. Dieser Steg 140 schafft eine Schwenkachse, die sich im Wesentlichen in Einbringrichtung E erstreckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf Kompressionselemente verzichtet werden. Benachbarte Nutbegrenzungsvorsprünge 132 zu unterschiedlichen Nuten 134 sind hinreichend weit voneinander beabstandet, so dass diese beim Einbringen der keilförmigen Federvorsprünge 138 jeweils um ihre Schwenkachse verschwenken können, ohne gegeneinander zu stoßen. Dadurch wird ein erheblicher Toleranzausgleich möglich. Die Lagen der PTC-Heizeinrichtung 2 innerhalb der Profilteile 126 werden dabei mit guter elastischer Spannung gegen die Innenfläche der beiden Profilteile 126 angelegt, wodurch die Wärmeauskopplung verbessert ist.
Figur 5 verdeutlicht auch das Aufwölben der Innenfläche der Profilteile 126 derart, dass dieses in einer Querschnittsansicht im Wesentlichen jeweils punktuell, in Längsrichtung linienförmig an der Isolierlage 120 anliegt. Durch diese Verformung des jeweiligen Profilteils 126 wird eine zusätzliche elastische Verspannung auch der Lagen der PTC-Heizeinrichtung 114 in der Aufnahmetasche 102 bewirkt.

Bezugszeichenliste

2: PTC-Heizeinrichtung
4: PTC-Element
6: Leiterbahn
8: Isolierlage
10: Positionsrahmen
12: oberer Querholm
14: unterer Querholm
16: Längsholm
18: Aufnahme
20: Kontaktzunge
22: Formschlusssegment
24: Rastklinke
26: Profilteil
98: elektrische Heizvorrichtung
100: Gehäuse
102: Aufnahmetasche
104: Heizkammer
105: Wand
106: Anschlusskammer
108: Trennwand
110: Heizrippe
114: PTC-Heizeinrichtung
116: PTC-Element
118: Leiterbahn
120: Isolierlage
122: Kontaktzunge
124: Kompressionselement
126: Profilteil
128: Positionsrahmen
128: Filmscharnier
132: Nutbegrenzungsvorsprung
134: Nut
136: Innenfläche
138: Federvorsprung
140: Steg

E: Einbringrichtung

Claims

Elektrische Heizvorrichtung (2) mit einem Gehäuse (100), das eine Aufnahmetasche (102) ausbildet, in der zumindest eine PTC-Heizeinrichtung (2) mit zumindest einem in einem Positionsrahmen (10) aufgenommenen PTC-Element (4) und zur Bestromung des PTC-Elementes (4) mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundene Leiterbahnen (6) aufgenommen ist, wobei auf gegenüberliegenden Hauptseitenflächen des PTC-Elementes (4) jeweils zumindest ein Profilteil (26) wärmeleitend mit dem PTC-Element (4) verbunden ist, wobei dem PTC-Element (4) gegenüberliegende äußeren Hauptseitenflächen der Profilteile (26) jeweils wärmeleitend mit einer Innenfläche (136) der Aufnahmetasche (102) verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mit dem Positionsrahmen (10) verbundenen Profilteilen (26) und den Leiterbahnen (6) jeweils eine elektrische Isolierlage (8) vorgesehen ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (26) mit dem Positionsrahmen (10) verklipst sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsrahmen (20) einen einseitig von den Kontaktzungen (20) überragten oberen Querholm (12) und einen gegenüberliegend dazu vorgesehenen unteren Querholm (14) aufweist und dass von den Querholmen (12, 14) jeweils Formschlusssegmente (22) abgehen, die die zugeordneten Profilteile (26) übergreifen.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Querholme (12) ein nach Art einer Rastklinke (24) ausgebildetes Formschlusssegment (22) aufweist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (26) jeweils durch Strangpressprofile aus Metall, insbesondere aus Aluminium gebildet sind.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilteile (26) mit der Aufnahmetasche (102) über eine Nut-Feder-Verbindung (134, 138) verbunden ist, die sich in Einbringrichtung der Aufnahmetasche (102) erstreckt.
Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein die Nut begrenzender Nutbegrenzungsvorsprung (132) und/oder zumindest ein die Feder zumindest teilweise ausbildender Federvorsprung (138) um eine sich in Einbringrichtung (E) erstreckende Achse verschwenkbar ist.
Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (100) eine Trennwand (108) aufweist, die eine Anschlusskammer (126) von einer Heizkammer (102) zur Abgabe von Wärme trennt und von der zumindest eine Heizrippe in Richtung auf die Heizkammer (102) abragt, die die Aufnahmetasche (102) ausbildet.
Verfahren zum Herstellen einer PTC-Heizeinrichtung (2) für eine elektrische Heizvorrichtung (2) mit einem Gehäuse (100), das eine Aufnahmetasche (102) ausbildet, in der die PTC-Heizeinrichtung (2) mit zumindest einem in einem Positionsrahmen (10) aufgenommenen PTC-Element (4) und zur Bestromung des PTC-Elementes (4) mit unterschiedlicher Polarität mit diesem elektrisch leitend verbundene Leiterbahnen (6), die außenseitig mit jeweils zumindest einer Isolierlagen (8) belegt sind, aufgenommen ist, gekennzeichnet, dass die außenseitig gegen die Leiterbahnen (6) angelegten Isolierlagen (8) über den Positionsrahmen (10) gehalten und nach Anlegen von Profilteilen (26) gegen die Isolierlagen (8) auf einer dem PTC-Element (4) abgewandten Außenseite der jeweiligen Isolierlage (8) durch eine Verbindung des Profilteils (26) mit dem Positionsrahmen (10) zwischen der Isolierlage (8) und dem Profilteil (26) gehalten werden und dass durch den Positionsrahmen (10) eine das zumindest eine PTC-Element (4), die Leiterbahnen (6), die Isolierlagen (8) und die Profilteile (26) umfassende bauliche Einheit gebildet wird.