DE102009057289B3

DE102009057289B3 - Verfahren und Anordnung zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes

Info

Publication number: DE102009057289B3
Application number: DE102009057289A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Tupaika; Jörg-Ray Sikora; Stephanie Esefeld
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: US20120237671A1; CA2780944A1; EP2508041A1; WO2011066826A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Innenkontaktierung der Kanäle von Widerstandsheizelementen, wie sie gattungsgemäß in der DE 100 60 301 A1 beschrieben sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der die Kanalinnenwände eines Wabenheizers nach einem vorgegebenen Muster schnell und präzise metallisch beschichtet werden können. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes dadurch gelöst, dass eine entsprechend gestaltete Miniaturlanze nacheinander in die zu beschichtenden Kanäle eingetaucht wird und mittels Druck eine Metallpaste bei gleichzeitigem Herausfahren der Miniaturlanze gleichmäßig auf die Kanalinnenwände aufgetragen wird und die Miniaturlanze bei benachbarten Kanälen jeweils von der anderen Seite ausgehend in den Kanal zur Beschichtung eingetaucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Innenkontaktierung der Kanäle von Widerstandsheizelementen, wie sie gattungsgemäß in der DE 100 60 301 A1 beschrieben sind.
Der Betrieb von Widerstandsheizern mit Bordspannungen (12/24 V) im Automotiv (PKW, NKW, Caravan, Boot, etc.) führt bei relevanten Heizleistungen um 1 kW zwangsweise zu Strömen bis 100 A und bei den allgemein üblichen PTC-Heizern im Einschaltmoment zu noch höheren Strömen. Um die geforderte Langlebigkeit der Kontaktierung von PTC-Keramiken zu erfüllen, ergeben sich hohe Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit und an die geometrische Ausführung der metallischen Kontaktschichten. Üblicherweise werden zur PKW-Innenraumheizung Heizregister mit PTC-Steinen (z. B. 28 × 6 × 1,5 mm³) verwendet oder Zusatzheizer kleinerer Leistungen mit Wabenstruktur. In beiden Fällen werden entsprechend ihrer elektrischen Leistung metallische Schichten ausreichender Stromtragfähigkeit (Querschnitt) aufgetragen. Vorzugsweise werden die Schichten gedruckt (Dickschichttechnologie) oder gesputtert.
Die Weiterentwicklung der PTC-Wabenheizer gemäß der DE 100 60 301 A1 erfordert, dass die Kanalinnenwände nach einem vorgegebenen Muster metallisch beschichtet werden müssen. Die oben beschriebenen Merkmale zur Stromtragfähigkeit und langer Funktionssicherheit müssen die Schichten in gleicher Weise gewährleisten. Das Beschichtungsschema der Kanäle ist so auszuführen, dass die Innenkontakte alternierend mit der einen Stirnseitenmetallisierung verbunden und mit der gegenüberliegenden nicht verbunden sind. Dazu sind zwei unterschiedliche Technologien bekannt. Zum einen wird die elektrische Isolationsstrecke durch nachträgliches mechanisches Entfernen der Metallschicht realisiert ( US 4,107,515 A ). Dieser Schritt ist aufwändig, da die Schicht wegen der Kurzschlussgefahr absolut zuverlässig entfernt sein muss. Es müssen Diamantwerkzeuge (Keramik) verwendet werden, die für die Metallschicht (duktil) nur bedingt geeignet sind. Bei quadratischem/rechteckigem Kanalquerschnitt ergibt sich außerdem ein Problem in den Kanalecken (Radius-Werkzeug, Radius-Kanalecke). Der Aufwand scheint für eine Serienproduktion ökonomisch nicht vertretbar.
Alternativ dazu werden die Isolationsbereiche vor der kompletten Metallisierung der Kanäle abgedeckt, die dann nach dem Einbrennen der Kontaktschichten wieder beseitigt werden müssen. Auch diese Technologie ist sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der die Kanalinnenwände eines Wabenheizers nach einem vorgegebenen Muster schnell und präzise metallisch beschichtet werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes, wobei die Kanäle als Wabenstruktur angeordnet sind und jeweils benachbarte elektrisch leitende Schichten wechselseitig mit den elektrisch leitenden Stirnflächenmetallisierungen des Widerstandsheizelementes in Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende einen Isolationsbereich zur jeweils anderen Stirnflächenmetallisierung aufweisen, dadurch gelöst, dass

– eine Miniaturlanze in den zu beschichtenden Kanal eingetaucht wird, wobei die Miniaturlanze
– der Innenform, jedoch mindestens um die Dicke der aufzutragenden Schicht im Querschnitt kleiner, der Kanäle entspricht,
– hohl ist,
– am unteren Ende geschlossen ist,
– am oberen Ende mit einem Vorratsbehälter gefüllt mit einer Metallpaste in Verbindung steht und
– ferner im unteren Bereich Auslässe, die auf die Innenwandungen der Kanäle gerichtet sind, aufweist,
– mittels Druck durch die Auslässe hindurch die Metallpaste bei gleichzeitigem Herausfahren der Miniaturlanze gleichmäßig auf die Kanalinnenwand aufgetragen wird und
– die Miniaturlanze bei benachbarten Kanälen jeweils von der anderen Stirnflächenmetallisierungsseite ausgehend in den Kanal zur Beschichtung eingetaucht wird.

Die Breite des Isolationsbereichs kann vorteilhaft dadurch verändert werden, dass man entweder nicht so tief mit der Miniaturlanze in den Kanal eintaucht oder dass man Miniaturlanzen mit unterschiedlich, vom Ende her gesehen, beabstandeten Auslässen verwendet.
Um ein mögliches Verlaufen der bereits aufgetragenen Metallpaste während des Trocknungsprozesses zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Wabenkörper um eine Achse zu drehen, die parallel zu den Kanälen liegt.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Anordnung zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes, wobei die Kanäle als Wabenstruktur angeordnet sind und jeweils benachbarte elektrisch leitende Schichten wechselseitig mit den elektrisch leitenden Stirnflächenmetallisierungen des Widerstandsheizelementes in Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende einen Isolationsbereich zur jeweils anderen Stirnflächenmetallisierung aufweisen, dadurch gelöst, dass die Anordnung eine Miniaturlanze enthält, wobei diese

– der Innenform, jedoch mindestens um die Dicke der aufzutragenden Schicht im Querschnitt kleiner, der Kanäle entspricht,
– hohl ist,
– am unteren Ende geschlossen ist,
– am oberen Ende eine Verbindung mit einem mit einer Metallpaste gefüllten Vorratsbehälter aufweist und
– ferner im unteren Bereich Auslässe, die auf die Innenwandungen der Kanäle gerichtet sind, aufweist.

Um die Beschichtungszeit aller Kanäle weiter zu verkürzen, ist es besonders vorteilhaft, mehrere Miniaturlanzen entweder in Reihen oder Matrixform dergestalt anzuordnen, dass im eingeführten Zustand der zusammengefassten Miniaturlanzen in die Kanäle zwischen jeweils zwei benachbarten Miniaturlanzen ein Kanal frei bleibt. Dabei sind sämtliche Miniaturlanzen einem Vorratsverteilungsbehälter zugeordnet, so dass die vom Vorratsbehälter mit entsprechendem Druck ankommende Metallpaste gleichmäßig auf die Hohlräume der jeweiligen Miniaturlanzen verteilt wird, um wiederum ein gleichmäßiges Verteilen durch die Auslässe hindurch zu garantieren. Da die Geometrien der Wabenkörper mit gewissen Toleranzen behaftet sind, ist es vorteilhaft, wenn die Miniaturlanzen flexibel mit dem Vorratsverteilungsbehälter in Verbindung stehen.
Die Widerstandsheizelemente bestehen dabei, jedoch nicht einschränkend, aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand).
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Miniaturlanze,
2 eine perspektivische, schematische Darstellung von vier in Reihe zusammen angeordneten Miniaturlanzen,
3 eine Schnittdarstellung durch den Vorratsverteilungsbehälter und
4 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Wabenkörpers.
Ein gemäß 4 dargestellter Wabenkörper 1 wird auf eine ebene Unterlage aufgelegt. Das Beschichtungswerkzeug, hier eine einzelne Miniaturlanze 2, gemäß 1, wird in einen ersten zu beschichtenden Kanal 3 eingeführt, bis es aufsitzt. Die Lage der Auslässe 4 der Miniaturlanze 2 bestimmt somit die Breite der Isolationsbereiche zur Stirnseitenmetallisierung der Gegenelektrode.
Die Innenbeschichtung kann nun unter Verwendung eines nicht dargestellten kommerziell erhältlichen Dosiergerätes stattfinden. Der Vorratsbehälter 5, der mit einer geeigneten Metallpaste gefüllt ist, steht dabei in direkter Verbindung mit der Miniaturlanze 2. Der Vorratsbehälter 5 wird mit einem definierten Druck beaufschlagt, so dass eine entsprechende Menge Metallpaste durch die Auslässe 4 hindurch auf die Innenwandungen des Kanals 3 aufgetragen wird.
Parallel zum Abgeben der Metallpaste wird die Miniaturlanze 2 mit einer definierten konstanten Geschwindigkeit aus dem Kanal 3 wieder herausgezogen. Während dieses Vorgangs wird die Paste gleichmäßig an den Innenflächen der Kanäle 3 verteilt.
Dieser Prozess wird wiederholt, bis jeder zweite Kanal 3 mit der Metallpaste versehen ist.
Nach dem Beschichtungsvorgang wird die eingebrachte Paste in einem beheizten Aggregat getrocknet. Dazu wird der Wabenkörper 1 in eine Einrichtung eingespannt, die ihn während des Trockenvorgangs in ständiger Bewegung hält, damit sich die Paste nicht in den Kanalecken ansammelt oder über die Isolationskante verläuft. Vorzugsweise wird der Wabenkörper 1 dabei um eine Achse gedreht, die parallel zu den Achsen der Kanäle 3 liegt.
Nach dem Trockenvorgang werden alle beschriebenen Schritte mit der zweiten Wabenseite durchgeführt, so dass sich eine wechselseitige Innenbeschichtung ergibt. Vor oder nach der Innenkontaktierung werden die Wabenstirnseiten ebenfalls mit geeigneten Metallpasten metallisiert.
Nach der Stirnseiten- und Innenbeschichtung der Wabenkörper 1 werden zur Stromzuführung geeignete Kontakte an den Seitenflächen der Wabe angebracht, die elektrisch mit den entsprechenden Stirnflächen der Wabenkörper 1 verbunden sind und eine entsprechende Stromtragfähigkeit aufweisen.
Die aufgebrachten Metallstrukturen werden entweder nach jedem oben angeführten Metallisierungs- und Trocknungsschritt oder nach der komplett erfolgten Metallisierung und Trocknung in einem Brennprozess nach den Vorgaben der jeweiligen Pastenhersteller eingebrannt.
Eine weitere Ausgestaltung eines Beschichtungswerkzeuges ist 2 zu entnehmen. Hier wurden vier Miniaturlanzen 2 zusammen an einen Vorratsverteilungsbehälter 6 angeordnet. Im eingeführten Zustand ist zwischen zwei mit den Miniaturlanzen 2 versehenen Kanälen 3 immer ein freier Kanal 3 vorhanden, welcher erst im zweiten Schritt dann ebenfalls gruppenweise von der anderen Seite aus beschichtet wird. In 3 ist ein Schnitt durch den Vorratsverteilungsbehälter 6 gezeigt. Der Verteilung kommt eine besondere Bedeutung zu, da die Paste, die aus dem Vorratsbehälter 5 unter einem bestimmten Druck geführt wird, in die einzelnen Miniaturlanzen 2 gleichmäßig geführt werden soll. Weitere Ausgestaltungen sind denkbar, wobei die Miniaturlanzen 2 matrixförmig einem dann entsprechend ausgestalteten Vorratsverteilungsbehälter 6 zugeordnet sind.
Ferner können die Miniaturlanzen 2 flexibel mit dem Vorratsverteilungsbehälter 6 verbunden werden, um somit mögliche Toleranzen in der Geometrie eines Wabenkörpers 1 ausgleichen zu können. Es sei generell angemerkt, dass der Vorratsverteilungsbehälter 6 und/oder auch der Vorratsbehälter 5 selbstverständlich z. B. durch Schlauchverbindungen örtlich gegenüber den Miniaturlanzen 2 weiter auseinanderliegend angeordnet sein können.
Bezugszeichenliste

1: Wabenkörper
2: Miniaturlanze
3: Kanal
4: Auslässe
5: Vorratsbehälter
6: Vorratsverteilungsbehälter

Claims

Verfahren zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes, wobei die Kanäle als Wabenstruktur angeordnet sind und jeweils benachbarte elektrisch leitende Schichten wechselseitig mit den elektrisch leitenden Stirnflächenmetallisierungen des Widerstandsheizelementes in Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende einen Isolationsbereich zur jeweils anderen Stirnflächenmetallisierung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Miniaturlanze (2) in den zu beschichtenden Kanal (3) eingetaucht wird, wobei die Miniaturlanze (2) – der Innenform, jedoch mindestens um die Dicke der aufzutragenden Schicht im Querschnitt kleiner, der Kanäle (3) entspricht, – hohl ist, – am unteren Ende geschlossen ist, – am oberen Ende mit einem Vorratsbehälter (5) gefüllt mit einer Metallpaste in Verbindung steht und – ferner im unteren Bereich Auslässe (4), die auf die Innenwandungen der Kanäle (3) gerichtet sind, aufweist, – mittels Druck durch die Auslässe (4) hindurch die Metallpaste bei gleichzeitigem Herausfahren der Miniaturlanze (2) gleichmäßig auf die Kanalinnenwand aufgetragen wird und – die Miniaturlanze (2) bei benachbarten Kanälen (3) jeweils von der anderen Stirnflächenmetallisierungsseite ausgehend in den Kanal (3) zur Beschichtung eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Isolationsbereiches durch Verringern der Eintauchtiefe der Miniaturlanze (2) in die Kanäle (3) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aushärtungsprozesses der Metallpaste das Widerstandsheizelement um eine zu den Kanälen (3) parallele Achse gedreht wird.
Anordnung zum Aufbringen elektrisch leitender Schichten mit hoher Stromtragfähigkeit auf die Wandungen der von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle eines elektrischen Widerstandsheizelementes, wobei die Kanäle (3) als Wabenstruktur angeordnet sind und jeweils benachbarte elektrisch leitende Schichten wechselseitig mit den elektrisch leitenden Stirnflächenmetallisierungen des Widerstandsheizelementes in Verbindung stehen und jeweils am anderen Ende einen Isolationsbereich zur jeweils anderen Stirnflächenmetallisierung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Miniaturlanze (2) enthält, wobei diese – der Innenform, jedoch mindestens um die Dicke der aufzutragenden Schicht im Querschnitt kleiner, der Kanäle (3) entspricht, – hohl ist, – am unteren Ende geschlossen ist, – am oberen Ende eine Verbindung mit einem mit einer Metallpaste gefüllten Vorratsbehälter (5) aufweist und – ferner im unteren Bereich Auslässe (4), die auf die Innenwandungen der Kanäle (3) gerichtet sind, aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem unteren Ende der Miniaturlanze (2) und dem Auslass (4) der Breite des Isolationsbereiches der Kanäle (3) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Miniaturlanzen (2) reihen- oder matrixförmig dergestalt angeordnet sind, dass – im eingeführten Zustand der Anordnung in die Kanäle (3) zwischen jeweils zwei benachbarten Miniaturlanzen (2) ein Kanal (3) frei bleibt und – sämtliche Miniaturlanzen (2) einem Vorratsverteilungsbehälter (6) zugeordnet sind, so dass die vom Vorratsbehälter (5) kommende Metallpaste gleichmäßig auf die Hohlräume der Miniaturlanzen (2) verteilt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von eventuellen geometrischen Toleranzen der Wabenstruktur die Miniaturlanzen (2) flexibel dem Vorratsverteilungsbehälter (6) zugeordnet sind.