Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, insbesondere für eine Heizungs- oder
Klimaanlage eines Fahrzeuges, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
[0002] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, elektrisch betriebene Heizvorrichtungen
in Wärmetauscher für Heiz- und Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen einzubauen, wo sie
beispielsweise als Zusatzheizung eingesetzt werden. Aus den Dokumenten
DE 10 2004 055 523 A1 und
DE 10 2006 025 320 A1 sind solche elektrisch betriebenen, als Zusatzheizungen verwendeten Heizvorrichtungen
bekannt, die mehrere Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen umfassen.
[0003] Insbesondere in Hybridfahrzeugen oder in rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden
elektrisch betriebene Heizvorrichtungen beispielsweise als Zuheizer eingesetzt. Bei
solchen Fahrzeugen ist die Bordnetzspannung größer als 60 V, teilweise auch größer
als 300 V. Aufgrund der hohen geforderten Heizleistungen der Heizvorrichtungen oder
des Zuheizers wird dieser bei solchen Fahrzeugen üblicherweise mit hohen Spannungen
betrieben, um die Stromstärke möglichst gering halten zu können. Ein Spannungsabfall
würde die Notwendigkeit der Verwendung von höheren Stromstärken nach sich ziehen.
Auch muss ein solcher für den Betrieb mittels einer Hochspannung ausgelegter Heizer
einen sicheren Berührungsschutz aufweisen, mit dem eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen
im Betrieb ausgeschlossen werden kann. Vorgabe ist hier, dass alle elektrisch leitenden
und von außen berührbaren Teile des elektrischen Heizers beziehungsweise Zuheizers
potentialfrei sind, was bedeutet, dass ein absoluter Berührungsschutz gemäß der Schutzklasse
I oder der Schutzklasse II gewährleistet werden muss.
[0004] Im Allgemeinen werden bei den bekannten Heizregistern verschiedene Materialien für
verschieden Schichten verwendet, da diese auch unterschiedliche Aufgaben erfüllen
müssen. Dabei müssen die Isolationsschichten eine gute elektrische Isolation, eine
hohe Durchschlagsfestigkeit und eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, wozu
insbesondere Isolierkeramiken wie beispielsweise Aluminiumoxid verwendet werden können.
Ferner müssen die Kontaktelektroden eine sehr gute thermische und eine elektrische
Leitfähigkeit aufweisen. Die Kontaktelektroden bestehen beispielsweise aus Aluminium
oder anderen Materialien. Solche Kontaktelektroden sind nur vorhanden, wenn das Heizregister
eine Heizeinheit mit einer PTC-Schicht umfasst. Bei Verwendung einer Heizeinheit mit
Dickschichtheizelementen sind dahingegen keine Kontaktelektroden vorhanden, die durch
eine Flächenkontaktierung ein tribologisches System bilden. Weiterhin muss eine umhüllende
Schicht, die als Rohrwand oder als Profil aus Aluminium ausgebildet sein kann, eine
sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
[0005] Ein für den Betrieb mittels einer Hochspannung geeigneter Heizer ist beispielsweise
aus einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin bekannt, wobei der dort beschriebene
Heizer aus mehreren Schichten oder Elementen aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet
ist, die sich in einem geschlossenen verspressten oder gepressten Heizregisterprofil
befinden und miteinander verspannt sind. Dabei können die Elemente mittels eines verspannten
Profilrohres oder über ein verspanntes System, das unter anderem aus Federn und/oder
Klammern ausgebildet sein kann, miteinander verspannt werden.
[0006] Ein beispielhafter Aufbau des Heizregisters eines herkömmlichen Heizers wird im Folgenden
in Verbindung mit der beiliegenden Figur 1 näher dargestellt. Das in der Figur 1 dargestellte
Heizregister 10 umfasst ein schichtförmiges Heizelement 20, das eine PTC-Keramik 30
mit mindestens einer leitenden Kontaktschicht aufweist, die mit Kontaktblechen 40
beispielsweise mittels Silikon verklebt ist. Die leitende Kontaktschicht kann aus
Gold ausgebildet sein. Ferner kann die schichtförmige Heizeinheit 20 Dickschichtheizelemente
auf einem Trägermaterial, das beispielsweise aus Isolierkeramik gebildet ist, aufweisen.
Ferner umfasst das Heizregister 10 zwei Isolationsschichten 50, die beispielsweise
aus Isolierkeramik ausgebildet sind, eine umhüllende Außenschicht 60 z.B. aus Aluminium,
die hier ein Rohrprofil aufweist und insbesondere als verpresstes Rohr ausgebildet
sein kann. Die umhüllende Schicht 60 wird vorzugsweise als Extrusionsprofil (nicht
dargestellt) ausgebildet. Ferner sind mit dem Bezugszeichen 35 die Kontaktbereiche
zwischen sich kontaktierenden Schichten gekennzeichnet.
[0007] Insgesamt ist dabei wichtig, dass das schichtförmige Heizelement 20, die Isolationsschichten
50, und die umhüllende Schicht 60 miteinander verspannt beziehungsweise verpresst
sind. Durch die Presskraft wird ein guter Wärmeübergang von der Heizeinheit 20 an
die wärmeübertragende Fläche, die eine Wand beziehungsweise eine Rippe sein kann,
sichergestellt.
[0008] Ferner müssen die Isolationsschichten 50 eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen
und die elektrische Trennung zwischen der Heizeinheit, insbesondere den Kontaktblechen
der Heizeinheit, einerseits und der umhüllenden Außenschicht 60 andererseits sicherstellen.
Eine Isolierkeramik aus Aluminiumoxid erfüllt diese beiden Anforderungen. Insgesamt
werden die Umgebung der Kontaktflächen sowie die Art, der Verlauf, und das Ausmaß
eines Verschleißes der Kontaktflächen von den Werkstoffen und der Beschaffenheit der
Komponenten, sowie von Zwischenstoffen, Umgebungseinflüssen und Einsatzbedingungen
bestimmt.
[0009] Aufgrund der erwähnten, in den Heizern verwendeten unterschiedlichen Materialien
oder Werkstoffe benachbarter Schichten mit jeweils unterschiedlichen oder sehr unterschiedlichen
Werkstoffeigenschaften, die miteinander in Kontakt kommen, kommt es im Betrieb zu
einer Relativbewegung und Reibung zwischen den Elementen des Heizers. Insbesondere
gibt es insbesondere Werkstoffpaarungen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Somit bilden die verschiedenen Elemente ein tribologisches System, das die Oberflächen
mindestens zweier Komponenten, die miteinander in bewegtem Kontakt sind, umfasst.
[0010] Die führen im Allgemeinen jedoch dazu, dass die im Betrieb entstehende Relativbewegung
und Reibung zwischen den Elementen des Heizers zu einem Abrieb (Fressen) der Kontaktflächen
der Elemente und, dadurch bedingt, schließlich zu einem Leistungsverlust wegen der
dabei entstehenden Luftspalte zwischen den Kontaktflächen der Elemente führt. Die
im Kern des Heizregisters, das heißt beispielsweise zwischen zwei Kontaktelektroden,
entstehende Wärme muss über die Isolationskeramik und das umhüllende Rohr an die Umgebung
abgeführt werden, wobei es bei Vorhandensein von Luftspalten zu einem Leistungsabfall
im Betrieb des Heizers kommt.
[0011] Insbesondere bei Materialpaarungen wie beispielsweise weiches Aluminium in direktem
Kontakt mit sehr harter Isolationskeramik kann es zu dem erwähnten spaltbildenden
Abrieb beispielsweise des Aluminiums kommen, wie beispielsweise bei einem Kontaktblech
aus Aluminium, einer zwischenliegenden Isolationsschicht aus Aluminiumoxid, und einer
umhüllenden, als Rohr oder als Profil aus extrudiertem Aluminium ausgebildeten Außenschicht.
[0012] In den Figuren 2 und 3 ist jeweils eine stark schematisierte Querschnitteilansicht
durch das Heizregister 10 aus der Figur 1 dargestellt, wobei die Figur 2 ein neues
Heizregister 10, das heißt einen Heizer in einem anfänglichen Zustand direkt nach
seiner Herstellung zeigt wohingegen in Figur 3 das Heizregister 10 in einem Zustand
nach dem Durchlaufen mehrerer Temperaturzyklen gezeigt wird.
[0013] Aus den Figuren 2 und 3 ist die Schichtstruktur des Heizregisters 10 deutlich zu
ersehen: Die PTC-Schicht 30 ist mittels eines Klebers 21 mit einer Kontaktelektrode
40 verklebt. Die dargestellte Kotaktelektrode 40 kontaktiert an ihrer der PTC-Schicht
30 abgewandten Seite eine Isolationsschicht 50. Zwischen der Kontaktelektrode 40 und
der Isolationsschicht 50 ist ein Luftspalt 41 vorhanden. Ferner kontaktiert die Isolationsschicht
50 an ihrer der Kontaktelekfirode 40 abgewandten Seite die umhüllende Außenschicht
(Rohrwand) 60. Zwischen der Isolationsschicht 50 und der umhüllenden Außenschicht
60 ist ein weiterer Luftspalt 51 vorhanden. Die Rohrwand 60 ist mittels eines Klebers
61 mit einer von Luft 80 durchströmte Rippe 70 verklebt
[0014] Aus einem Vergleich der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Veranschaulichung kann man
feststellen, dass der Luftspalt 41 zwischen dem Kontaktblech 40 und der Isolationsschicht
50 und der Luftspalt 51 zwischen der Isolationsschicht 50 und der Rohrwand 60 wegen
des vorhandenen Abriebs zwischen den sich kontaktierenden Schichten 40 und 50 beziehungsweise
50 und 60 sich jeweils deutlich vergrößert haben.
[0015] In der Figur 4 ist der Verlauf einer durch die PTC-Schicht 20 hervorgebrachten Temperatur
T in Abhängigkeit von einer Wärmeübertragungstrecke d zwischen der PTC-Schicht 30
und der Rohrwand 60 dargestellt. Mit KT1 werden dabei die Temperaturabhängigkeit des
neuen Heizregisters 10 (vergleiche Figur 2) und mit KT2 die entsprechende Temperaturabhängigkeit
für dasselbe Heizregister 10 in einem Zustand nach dem Durchlaufen mehrerer Temperaturzyklen
(vergleiche Figur 3) bezeichnet. Ferner wird mit ΔT der Temperaturunterschied gekennzeichnet,
den der durch Abrieb und die dadurch hervorgerufene Vergrößerung der Luftspalte 41
und 51 bedingten Leistungsverlust im Heizregister 10 verursacht.
[0016] Je größer beziehungsweise länger die einzelnen Heizregister oder Heizstränge sind,
umso größer werden auch die absolute Wärmeausdehnung und der damit verbundene Reibungsweg
zwischen den einzelnen Schichten. Die Wahl eines geeigneten tribologischen Systems
ist daher unumgänglich, um die Entstehung von Luftspalten zwischen den Schichten zu
verhindern, die zu einer schlechten Wärmeausbringung führen, wobei bereits Luftspalte
mit einer Dicke von unter 100 µm zu einem Leistungsverlust von über 30% führen können.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
[0017] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Heizvorrichtung zu schaffen, deren Heizregister
derartig ausgebildet ist, dass der Abrieb zwischen den das Heizregister ausbildenden
Schichten minimiert wird, der insbesondere aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungen der für diese Schichten verwendeten unterschiedlichen Materialpaarungen
entsteht.
[0018] Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach eine elektrisch betriebene
Heizvorrichtung ein Heizregister aufweist, das ein schichtförmiges Heizelement zum
Umwandeln von elektrischer Energie in Wärme und zumindest eine, bevorzugt zwei, elektrisch
isolierende und wärmeleitende Isolationsschicht bzw. Isolationsschichten umfasst,
die jeweils zumindest bereichsweise eine Seite des schichtförmigen Heizelements kontaktiert,
wobei die Isolationsschicht und das schichtförmige Heizelement miteinander verspannt
sind. Ferner ist zwischen mindestens einer der Isolationsschichten und dem schichtförmigen
Heizelement eine einem Abrieb entgegenwirkende Gleitschicht angeordnet und/oder es
weisen mindestens eine der Isolationsschichten und das schichtförmige Heizelement
zumindest in dem Bereich ihrer gegenseitigen Kontaktflächen eine Materialpaarung auf,
bei der der Abrieb der Kontaktflächen einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
[0019] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung
und durch die Unteransprüche beschrieben.
[0020] Erfindungsgemäß werden, im Gegensatz zum Stand der Technik, für mindestens zwei sich
kontaktierende Schichten, insbesondere für das Heizelement im Bereich seinen Kontaktflächen
und für die Isolierschichten reibungsoptimierte schmierstofffreie Werkstoffpaarungen,
die nicht zum fressen neigen, verwendet. Vorteilhaft werden somit die Werkstoffpaarungen
beziehungsweise Materialpaarungen zwischen mindestens zwei der sich bewegenden Bauteile
beziehungsweise Schichten so abgestimmt, dass der Abrieb verringert beziehungsweise
minimiert wird. So können die Werkstoffpaarungen derart gewählt werden, dass der Reibungskoeffizient
zwischen den sich kontaktierenden Schichten verkleinert wird. Auch kann zwischen den
sich kontaktierenden Schichten, insbesondere zwischen den Kontaktflächen des Heizelementes
und den Isolationsschichten, eine Gleitschicht vorhanden sein, durch die der Abrieb
zwischen dem Heizelement und den Isolationsschichten verringert beziehungsweise vermieden
wird. Durch eine Vermeidung oder Verringerung des Abriebes zwischen den sich kontaktierenden
Schichten des Heizers wird die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von Luftspalten
beziehungsweise von Mikroluftspalten zwischen diesen Schichten und dadurch auch die
Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Leistungsverlusts, der von einer durch
das Vorhandensein von Spalten zwischen den sich kontaktierenden Schichten verschlechterten
Wärmeübertragung verursacht wird, verringert oder gar vermieden.
[0021] Durch die Vermeidung oder Verringerung des Abriebes zwischen den sich kontaktierenden
Schichten des Heizers wird insbesondere erreicht, dass die Reibungskräfte zwischen
den sich kontaktierenden Schichten nahezu konstant sind oder bleiben, was zu einer
Verlängerung des Lebensdauer des erfindungsgemäßen Heizregisters führt.
[0022] Ferner führt das Vorhandensein von Gleitschichten zwischen den sich kontaktierenden
Schichten des Heizregisters zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung in dem Heizregister,
was insbesondere dadurch begründet ist, dass die verwendeten Gleitschichten eine bessere
Wärmeleitfähigkeit haben als die Mikroluftspalte.
[0023] Das Heizregister der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung kann eine derartige Außenschicht
(Außenprofil) umfassen, die die aus den Isolationsschichten und dem schichtförmigen
Heizelement ausgebildete Anordnung zumindest teilweise umgibt, die zu den dem Heizelement
abgewandten Oberflächen der Isolationsschichten jeweils zumindest bereichsweise kontaktiert,
und die mit den Isolationsschichten und dem Heizelement verspannt ist. Die Außenschicht
kann als Rohrwand eines umhüllenden Rohrs, vorzugsweise eines verpressten Rohrs, oder
als Extrusionsprofil ausgebildet sein.
[0024] Vorzugsweise ist zwischen mindestens einer der Isolationsschichten und der Außenschicht
mindestens eine Gleitschicht aus einem derartigen Material angeordnet, dass der Abrieb
der Kontaktflächen der Isolationsschicht und der Außenschicht jeweils einen vorbestimmten
Grenzwert unterschreitet.
[0025] Insbesondere wird für die Ausbildung mindestens einer Isolationsschicht und der Außenschicht
zumindest in dem Bereich ihrer Kontaktflächen eine derartige Materialpaarung verwendet,
dass der Abrieb der Kontaktflächen der Isolationsschicht und der Außenschicht jeweils
einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
[0026] Durch die Verwendung von geeigneten Werkstoffpaarungen für die Ausbildung der Isolationsschichten
und der Außenschicht des Heizregisters und/oder durch das Vorhandensein von geeigneten
Gleitschichten zwischen der Außenschicht und den Isolationsschichten wird erfindungsgemäß
ein zwischen weiteren sich kontaktierenden Schichten des erfindungsgemäßen Heizregisters
erzeugbarer Abrieb verringert oder vermieden, was zu einer weiteren Reduzierung eines
ansonsten durch das Vorhandensein von Luftspalten beziehungsweise Mikroluftspalten
bedingten Leistungsverlustes führt.
[0027] Ferner kann das schichtförmige Heizelement der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung
eine PTC-Schicht, insbesondere eine PTC-Schicht mit mindestens einer elektrisch leitenden
Kontaktschicht, und zwei schichtförmige Kontaktelektroden umfassen, die jeweils eine
Oberfläche der PTC-Schicht zumindest bereichsweise kontaktieren. Auch kann das schichtförmige
Heizelement der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mindestens ein auf einer Trägerschicht
angebrachtes Dickschichtheizelement umfassen,
[0028] Vorzugsweise ist zwischen mindestens einer Kontaktelektrode und der PTC-Schicht mindestens
eine Gleitschicht aus einem derartigen Material angeordnet, dass der Abrieb der Kontaktflächen
der Kontaktelektrode und der PTC-Schicht jeweils einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
[0029] Insbesondere wird für die Ausbildung mindestens einer Kontaktelektrode und der PTC-Schicht
zumindest in dem Bereich ihrer Kontaktflächen eine derartige Materialpaarung verwendet,
dass der Abrieb der Kontaktflächen der Kontaktelektrode und der PTC-Schicht jeweils
einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
[0030] Durch die Verwendung von geeigneten Werkstoffpaarungen für die Ausbildung der Kontaktelektroden
und der PTC-Schicht des Heizregisters und/oder durch das Vorhandensein von geeigneten
Gleitschichten zwischen den Kontaktelektroden und der PTC-Schicht wird erfindungsgemäß
ein zwischen weiteren sich kontaktierenden Schichten des erfindungsgemäßen Heizregisters
erzeugbaren Abrieb verringert oder vermieden, was zu einer weiteren Reduzierung des
durch Luftspalte beziehungsweise Mikroluftspalte bedingten Leistungsverlustes führt.
[0031] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Außenschicht
aus Aluminium ausgebildet. Ferner kann mindestens eine Isolationsschicht aus Isolierkeramik,
insbesondere aus einer Isolierkeramik mit Aluminiumoxid, ausgebildet sein. Weiterhin
ist die PTC-Schicht insbesondere aus PTC-Keramik ausgebildet. Auch können die Kontaktschicht
der PTC-Schicht aus Gold, Silber oder Aluminium und mindestens eine Kontaktelektrode
aus Aluminium ausgebildet sein.
[0032] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mindestens eine Kontaktelektrode
und der PTC-Schicht an ihrer Kontaktflächen miteinander verklebt. Auch durch das Verkleben
von sich kontaktierenden Schichten an Ihrer Kontaktfläche kann die Wahrscheinlichkeit
für die Bildung von Luftspalte beziehungsweise Mikroluftspalten drastisch reduziert
werden.
[0033] Insbesondere ist mindestens eine Gleitschicht, die zwischen mindestens zwei der sich
kontaktierenden Schichten angeordnet ist, als Beschichtung einer Kontaktfläche einer
der mindestens zwei der sich kontaktierenden Schichten oder als separate Schicht ausgebildet.
Mit anderen Worten, es können mindestens zwei der sich kontaktierenden Schichten jeweils
an ihrer Kontaktfläche mit einer Gleitschicht beschichtet sein oder zwischen ihren
Kontaktflächen eine getrennt ausgebildete Gleitschicht umfassen,
[0034] Vorzugsweise ist mindestens eine Gleitschicht, die zwischen mindestens zwei der sich
kontaktierenden Schichten vorhanden ist, als Dünnfilm mit einer Dicke von unter 20
µm aus Silikon oder Polyesterlack mit Bohrnitrit als Gleitmittel ausgebildet. Auch
kann mindestens eine Gleitschicht aus einem Polymer, das insbesondere mit Wärmeleitpartikeln
zur Realisierung jeglicher Wärmeübertragung gefüllt ist und/oder durch Hitze oder
Zusatz von chemischen Härtern aushärtet, ausgebildet sein.
[0035] Insbesondere ist mindestens eine Gleitschicht, die zwischen mindestens zwei der sich
kontaktierenden Schichten angeordnet ist, durch die Einbringung mindestens eines Schmierstoffes,
wie beispielsweise Öl oder Fett, zwischen mindestens zwei der sich kontaktierenden
Schichten realisiert. Auch kann mindestens eine Gleitschicht aus einem mit mindestens
einem Schmierstoff getränktes Material, wie beispielsweise ein im Öl getränktes Papier,
ausgebildet sein.
[0036] Erfindungsgemäß werden für sich kontaktierende Schichten zumindest in dem Bereich
ihrer Kontaktflächen vorzugsweise reibungsoptimierte schmierstofffreie Werkstoffpaarungen
verwendet, die nicht zum fressen neigen. Dabei wird für die Ausbildung von mindestens
zwei sich kontaktierenden Schichten zumindest in dem Bereich ihrer Kontaktflächen
insbesondere eine Materialpaarung aus Messing und Aluminium oder aus Messing und Zinn
verwendet. Die Werkstoffpaarungen werden dabei insbesondere derartig ausgewählt, dass
der Reibungskoeffizient zwischen den sich kontaktierenden Schichten reduziert wird.
Beispielsweise hat die Werkstoffpaarung aus Aluminium zu Aluminium einen Reibungskoeffizient
von 1.
[0037] Einfach ausgedrückt wird erfindungsgemäß der Abrieb zwischen den Schichten eines
Heizregisters durch die Auswahl der Werkstoffen aus der die Schichten ausgebildet
sind und/oder durch die Verwendung von Zusatzmaßnahmen, wie eine geeignete Beschichtung
der Schichten und/oder die Einfügung von Zwischenlagen aus geeignetem Material zwischen
den Schichten, minimiert.
[0038] Durch die Minimierung des Abriebs zwischen den Materialien der sich kontaktierenden
Schichten des Heizregisters, die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen aufweisen, wird
eine Mikrospaltbildung zwischen diesen Schichten, wie beispielsweise zwischen einer
PTC-Keramik und den Kontaktblechen und/oder zwischen einer Isolationskeramik und einem
umhüllenden Rohr oder Profil, minimiert beziehungsweise vermieden. Dadurch wird auch
einen durch das Vorhandensein von Mikrospalten entstehenden Leistungsverlust in dem
erfindungsgemäßen Heizregister vermieden.
[0039] Der erfindungsgemäße Aufbau der Heizvorrichtung ist für Hochspannungen, das heißt,
für Spannungen, die größer als 60 V sind, besonders geeignet. Aber auch für elektrische
Zuheizer mit einer Spannung < 60V ist der erfindungsgemäße Aufbau geeignet. Die Verwendung
von modifizierten Werkstoffpaarungen und/oder die Verwendung einer Gleitschicht zwischen
sich kontaktierenden Schichten beeinträchtigen die Funktion und den Einsatzbereich
des erfindungsgemäßen elektrischen Heizers nicht. Das heißt, dass durch die Verwendung
der modifizierten Werkstoffpaarungen und/oder durch die Verwendung einer Gleitschicht
zwischen den sich kontaktierenden Schichten kein nennenswerter Leistungsverlust und
keine Beeinträchtigung der elektrischen Isolationsfestigkeit hinsichtlich Hochspannungen
entsteht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0040] Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage mindestens eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Querschnittansicht eines Heizregisters einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung
nach dem Stand der Technik
- Fig. 2
- eine stark schematisierte Teilquerschnittansicht durch das in der Figur 1 dargestellte
Heizregister, wobei das Heizregister in einem anfänglichen Zustand dargestellt ist,
der direkt nach der Herstellung der dazugehörigen Heizvorrichtung vorliegt,
- Fig. 3
- eine stark schematisierte Teilquerschnittansicht durch das in der Figur 1 dargestellte
Heizregister, wobei das Heizregister in einem Zustand dargestellt ist, der vorliegt,
nachdem es mehrere Temperaturzyklen durchlaufen hat,
- Fig. 4
- der Temperaturverlauf durch das Heizregister in dem in der Figur 3 dargestellten Zustand
in Vergleich zu dem Temperaturverlauf durch das Heizregister in dem in der Figur 4
dargestellten Zustand,
- Fig. 5
- eine Querschnittansicht eines Heizregisters einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung
nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
- Fig. 6
- eine Querschnittansicht eines Heizregisters einer elektrisch betriebenen Heizvorrichtung
nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
[0041] Die Figur 5 zeigt in Explosionsdarstellung eine Querschnittansicht durch ein Heizregister
10 einer Heizvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Heizvorrichtung. Das Heizregister 10 der Heizvorrichtung nach der ersten Ausführungsform
umfasst ein schichtförmiges Heizelement 20, das eine PTC-Schicht 30 und zwei schichtförmige
Kontaktelektroden 40 umfasst. Die PTC-Schicht 30 ist zwischen den zwei Kontaktelektroden
40 angeordnet. Zwischen jeder der Kontaktelektroden 40 und der PTC-Schicht 30 ist
jeweils eine separat ausgebildete Gleitschicht 130 angeordnet, mittels der der Abrieb
zwischen der entsprechenden Kontaktelektrode 40 und der PTC-Schicht 30 minimiert beziehungsweise
vermieden wird.
[0042] Bei jeder der Kontaktelektroden 40 ist auf der jeweiligen der PTC-Schicht 30 abgewandten
Seite eine Isolationsschicht 50 angeordnet. Ferner ist zwischen jeder Kontaktelektrode
40 und jeder Isolationsschicht 50 auch eine separat ausgebildete Gleitschicht 140
angeordnet, mittels der der Abrieb zwischen der entsprechenden Kontaktelektrode 40
und der entsprechenden Isolationsschicht 50 minimiert beziehungsweise vermieden wird.
[0043] Weiterhin ist an der einer Kontaktelektrode 40 abgewandten Seite einer jeweiligen
Isolationsschicht 50 ein Rohrprofil 60 vorhanden, das als umhüllendes verpresstes
Rohr 60 ausgebildet ist. Mittels dieses verpressten Rohrs 60 sind alle das Heizregister
10 bildende Elemente miteinander verspannt. Dabei wird durch die aufgebrachte Presskraft
ein guter Wärmeübergang von dem Heizelement 20 an die äußere wärmeübertragende Fläche
des verpressten Rohrs 60 sichergestellt. Ferner ist zwischen jeder Isolationsschicht
50 und dem verpressten Rohr 60 auch eine separat ausgebildete Gleitschicht 150 angeordnet,
mittels der ein Abrieb zwischen dem verpressten Rohr 60 und der entsprechenden Isolationsschicht
50 minimiert beziehungsweise vermieden wird.
[0044] Die Figur 6 zeigt in Explosionsdarstellung eine Querschnittansicht durch ein Heizregister
10 einer Heizvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Heizvorrichtung. Das Heizregister 10 der Heizvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform
umfasst dabei ein schichtförmiges Heizelement 20, das eine zwischen zwei schichtförmigen
Kontaktelektroden 40 angeordnete PTC-Schicht 30 umfasst.
[0045] Die PTC-Schicht 30 ist an jeder einer entsprechenden Kontaktelektrode zugewandte
Seite mit einer Gleitschicht 130 beschichtet, mittels der der Abrieb zwischen der
PTC-Schicht 30 und der entsprechenden Kontaktelektrode 40 minimiert beziehungsweise
vermieden wird.
[0046] An der der PTC-Schicht 30 abgewandten Seite jeder Kontaktelektrode 40 ist jeweils
eine Isolationsschicht 50 angeordnet. Jede Isolationsschicht 50 ist an ihrer der entsprechenden
Kontaktelektrode 40 zugewandten Seite mit einer Gleitschicht 140 beschichtet, mittels
der der Abrieb zwischen jeder der Isolationsschichten 50 und der entsprechenden Kontaktelektrode
40 minimiert beziehungsweise vermieden wird.
[0047] Weiterhin ist an der einer Kontaktelektrode 40 abgewandten Seite jeder Isolationsschichte
ein Rohrprofil 60 vorhanden, das als umhüllendes verpresstes Rohr 60 ausgebildet ist.
Mittels des verpressten Rohrs 60 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel alle das
Heizregister 10 bildenden Elemente miteinander verspannt. Durch die Presskraft wird
auch hier ein guter Wärmeübergang von dem Heizelement 20 an die äußere wärmeübertragende
Fläche des verpressten Rohrs 60 sichergestellt. Ferner ist jede Isolationsschicht
50 an ihrer dem umhüllenden Rohr 60 zugewandten Seite mit einer Gleitschicht 150 beschichtet,
mittels der den Abrieb zwischen jeder der Isolationsschichten 50 und dem umhüllen
Rohr 60 minimiert beziehungsweise vermieden wird.
[0048] Sowohl bei dem ersten als auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
kann die PTC-Schicht 30 aus einer PTC-Keramik-Schicht und mindestens eine leitende
Kontaktschicht (nicht dargestellt) aus Gold oder Silber aufweisen. Ferner kann jede
der Isolationsschichten 50 aus Isolationskeramik ausgebildet sein. Das umhüllende
Rohr 60 kann insbesondere aus Aluminium gebildet sein.
[0049] Somit kann erfindungsgemäß mindestens eine der Gleitschichten 130, 140, 150 als weiteres
Bauteil zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen der entsprechenden
sich kontaktierenden Schichten des Heizregisters 10 eingebracht werden.
[0050] Ferner kann mindestens eine der Gleitschichten 130, 140, 150 jeweils als direkte
Beschichtung einer oder beider der sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen
von mindestens zwei der sich kontaktierenden beziehungsweise aneinander angrenzenden
Schichten des Heizregisters 10 ausgebildet sein.
[0051] Auch kann zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen von mindestens
zwei der sich kontaktierenden Schichten ein Schmierstoff, wie beispielsweise Öl oder
Fett, eingebracht werden.
[0052] Weiterhin kann das erfindungsgemäße Gleitschichtsystem eine Kombination mehrerer
der oben genannten Gleitschichten umfassen. Beispielsweise ist jeweils eine der beiden
sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen beschichtet, wobei auch Schmierstoff,
wie beispielsweise Öl, oder ein mit Schmierstoff getränktes Papier zwischen den Oberflächen
eingebracht werden kann.
[0053] Auch kann auf mindestens einer der Schichten des Heizregisters 10, insbesondere auf
mindestens einer der Isolationsschichten 50, die vorzugsweise aus Isolationskeramik
ausgebildet ist, eine entsprechende Gleitschicht 130, 140, 150 aus einem Materialgemisch
vorhanden sein, wobei das Materialgemisch Silikon beziehungsweise Polyesterlack mit
Bohrnitrit als Gleitmittel umfassen kann und für Dünnfilmapplikationen unter 20 µm,
bevorzugt unter 5 µm, vorzugsweise auf Isolationskeramik ausgelegt ist.
[0054] Ferner kann mindestens eine Gleitschicht 130, 140, 150 ein Polymer als Wärmeleitermedium,
das mit Wärmepartikeln gefüllt ist, umfassen. Dieses Polymer kann durch Hitze oder
durch den Zusatz von chemischen Härtern aushärten. Die Wärmeübertragung erfolgt dann
ausschließlich über die Wärmepartikel. Dabei beträgt der Füllgrad solcher Polymere
mit Wärmepartikeln mindestens 60%.
1. Elektrisch betriebene Heizvorrichtung mit einem Heizregister (10), das ein schichtförmiges
Heizelement (20) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärme und mindestens eine
elektrisch isolierende und wärmeleitende Isolationsschicht (50) umfasst, die zumindest
bereichsweise eine Seite des schichtförmigen Heizelements (20) kontaktiert, wobei
die Isolationsschicht (50) und das schichtförmige Heizelement (20) miteinander verspannt
sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Isolationsschicht (50) und dem schichtförmigen Heizelement
(20) eine einem Abrieb entgegenwirkende Gleitschicht angeordnet ist und/oder mindestens
eine Isolationsschicht (50) und das schichtförmige Heizelement (20) zumindest in dem
Bereich ihrer gegenseitigen Kontaktflächen eine Materialpaarung aufweisen, bei der
der Abrieb der Kontaktflächen einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizregister (10) eine Außenschicht (60) umfasst, die die aus der Isolationsschicht
bzw. den Isolationsschichten (50) und dem schichtförmigen Heizelement (20) gebildete
Anordnung zumindest teilweise umgibt, wobei die dem Heizelement (20) abgewandte Oberflächen
der Isolationsschicht (50) von der Außenschicht (60) zumindest bereichsweise kontaktiert
wird, und wobei die Außenschicht (60) mit der Isolationsschicht (50) und dem Heizelement
(20) verspannt ist und als Rohrwand eines umhüllenden, vorzugsweise verpressten Rohrs
(60) oder als Extrusionsprofil ausgebildet ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schichtförmige Heizelement (20) eine PTC-Schicht (30) ist, die mit mindestens
einer elektrisch leitenden Kontaktschicht versehen ist, und zwei schichtförmige Kontaktelektroden
(40) umfasst, die jeweils eine Oberfläche der PTC-Schicht (30) zumindest bereichsweise
kontaktieren, oder dass das schichtförmige Heizelement (20) mindestens ein auf einer
Trägerschicht aufgebrachtes Dickschichtheizelement umfasst.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer der Kontaktelektroden (40) und der PTC-Schicht (30) und/oder
zwischen mindestens einer der Isolationsschichten (50) und der Außenschicht (60) eine
einem Abrieb entgegenwirkende Gleitschicht (130, 150) angeordnet ist und/oder dass
mindestens eine der Kontaktelektroden (40) und die PTC-Schicht (30) und/oder mindestens
eine Isolationsschicht (50) und die Außenschicht (60) zumindest in dem Bereich ihrer
gegenseitigen Kontaktflächen eine Materialpaarung aufweisen, bei der der Abrieb der
Kontaktflächen einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
5. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (60) aus Aluminium ausgebildet ist und/oder mindestens eine der
Isolationsschichten (50) mit einer Isolierkeramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid,
gebildet ist und/oder die PTC-Schicht (30) aus PTC-Keramik ausgebildet ist und/oder
die Kontaktschicht der PTC-Schicht (30) aus Gold oder Silber ausgebildet ist und/oder
mindestens eine Kontaktelektrode (40) aus Aluminium ausgebildet ist.
6. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kontaktelektrode (40) an ihren Kontaktflächen mit der PTC-Schicht
(30) verklebt ist.
7. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gleitschichten (130, 140, 150), die zwischen zwei der sich kontaktierenden
Schichten (20, 30, 40, 50, 60) angeordnet sind, als Beschichtung einer Kontaktfläche
einer der zwei der sich kontaktierenden Schichten (20, 30, 40, 50, 60) oder als separate
Schicht ausgebildet ist.
8. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine der Gleitschichten (130, 140, 150), die zwischen zwei der sich kontaktierenden
Schichten (20, 30, 40, 50, 60) angeordnet sind, als Dünnfilm mit einer Dicke von unter
20 µm aus Silikon oder Polyesterlack mit Bornitrit als Gleitmittel und/oder aus einem
Polymer, das insbesondere mit Wärmeleitpartikeln zur Realisierung von Wärmeübertragung
gefüllt ist und/oder durch Hitze oder Zusatz von chemischem Härter aushärtet, ausgebildet
ist.
9. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gleitschichten, die zwischen zwei der sich kontaktierenden Schichten
(20, 30, 40, 50, 60) angeordnet sind, durch die Einbringung eines Schmierstoffes,
wie beispielsweise Öl oder Fett, zwischen den mindestens zwei der sich kontaktierenden
Schichten (20, 30, 40, 50, 60) realisiert ist oder aus einem mit einem Schmierstoff
getränktem Material, wie beispielsweise ein im Öl getränktes Papier, gebildet ist.
10. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der sich kontaktierenden Schichten (20, 30, 40, 50, 60) zumindest
in dem Bereich ihrer gegenseitigen Kontaktflächen eine Materialpaarung aus Messing
und Aluminium oder aus Messing und Zinn aufweisen.