DE102018106296B4

DE102018106296B4 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102018106296B4
Application number: DE102018106296.6A
Authority: DE
Inventors: Cian McCarthy; Thomas O'Carroll; Katherine O'Sullivan; Stephen Sweeney; Ivan Morris; Kevin Dukes
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2026-01-15
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: DE102018106296A1; CN110290605B; US11317477B2; CN110290605A; US20190289676A1

Abstract

Heizvorrichtung mit
einem plattenförmigen PTC Widerstand (3), der eine Dicke, eine Vorderseite (31), eine Rückseite (32) und Schmalseiten (33, 34) aufweist, wobei der Abstand von der Vorderseite (31) zu der Rückseite (32) die Dicke ist, und einem ersten Kontaktelement (4) und einem zweiten Kontaktelement (4), die den PTC Widerstand (3) elektrisch kontaktieren,
wobei der PTC Widerstand (3) von den Kontaktelementen (4) an gegenüberliegenden Schmalseiten (33, 34) elektrisch kontaktiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktelemente (4) Blechstreifen sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus US 4 072 848 A bekannt ist. Ähnlich Heizvorrichtungen sind beispielsweise aus DE 10 2015 107 316 A1 , DE 10 2012 107 113 A1 oder DE 39 42 266 A1 bekannt.
Heizvorrichtungen für Fahrzeuge, beispielsweise zur Beheizung des Innenraums der Fahrgastzelle, enthalten üblicherweise plattenförmige keramische PTC Widerstände zum Erzeugen von Wärme, da PTC Widerstände inhärent vor Überhitzung geschützt sind, indem sie bei einer kritischen Temperatur einen signifikanten Anstieg des elektrischen Widerstandes zeigen. Der elektrische Widerstand von PTC Widerständen bei niedrigeren Temperaturen ist relativ gering, was erhebliche Einschaltströme verursacht, insbesondere wenn mehrere parallel geschaltete PTC Widerstände verwendet werden.
Aus DE 197 24 734 A1 ist eine Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, die anstelle von PTC Widerständen kostengünstigere und weniger feuchtigkeitsanfällige Silizium Heizelemente enthält, die an ihren jeweiligen Schmalseiten kontaktiert werden.
Plattenförmige PTC Widerstände auf Basis von Bariumtitanat wurden zum Beheizen von Fahrzeugen entwickelt, die eine Bordnetzspannung von 12 V oder 24 V haben. Wenn derartige PTC Widerstände in Heizvorrichtungen für Fahrzeuge verwendet werden, die eine Bordnetzspannung von 48 V oder sogar von mehr als 100 V haben, muss darauf geachtet werden, dass die Stromstärken nicht zu groß werden.
Das Transformieren einer hohen Bordnetzspannung in eine niedrigere Spannung von 12 V oder 24 V ist relativ aufwendig und nicht wirtschaftlich.
Stromstärken können reduziert werden, indem mehrere Widerstände in Reihe geschaltet werden. Die DE 10 2015 107 316 A1 offenbart eine Heizvorrichtung, bei der ein NTC Widerstand mit PTC Widerständen in Reihe geschaltet ist. Obwohl Stromstärken auf diese Weise wesentlich reduziert werden können, erhöhen sich die Herstellungskosten durch die Serienschaltung erheblich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Heizvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Bordnetzspannung von 48 V oder sogar von mehr als 100 V wirtschaftlich mit herkömmlichen PTC Widerständen realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein plattenförmiger PTC Widerstand hat eine Vorderseite, eine Rückseite und Schmalseiten, welche die Vorderseite und die Rückseite verbinden. Der Abstand von der Vorderseite zur Rückseite ist die Dicke des plattenförmigen PTC Widerstands. Der Abstand zwischen gegenüberliegenden Schmalseiten ist die Breite oder Länge des plattenförmigen PTC Widerstandes. In herkömmlichen Heizvorrichtungen, wie sie beispielsweise in DE 10 2015 107 316 A1 , DE 10 2012 107 113 A1 oder DE 39 42 266 A1 offenbart sind, werden die PTC Widerstände an ihrer Vorder- und Rückseite elektrisch kontaktiert. Der PTC Widerstand bzw. die PTC Widerstände einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung werden dagegen an gegenüberliegenden Schmalseiten elektrisch kontaktiert. Der elektrische Widerstand des PTC Widerstands in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deshalb wesentlich höher, so dass selbst bei wesentlich größeren Spannungen von 100 V oder mehr Stromstärken in einem akzeptablen Bereich bleiben.
Eine Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann mehrere plattenförmige PTC Widerstände enthalten, die elektrisch von Kontaktelementen an gegenüberliegenden Schmalseiten kontaktiert werden. Mehrere PTC Widerstände können parallel geschaltet und zwischen denselben beiden Kontaktelementen angeordnet sein. Auf diese Weise lässt sich eine stabförmige Heizvorrichtung wirtschaftlich herstellen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht einen elektrisch isolierenden Rahmen vor, der den keramischen PTC Widerstand bzw. die keramischen PTC Widerstände und die Kontaktelemente hält. Die Kontaktelemente können in den Rahmen eingebettet sein, beispielsweise durch Umspritzen der Kontaktelemente in einem Kunststoffrahmen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktelemente federnd gegen die PTC Widerstände drücken. Beispielsweise können die Kontaktelemente Federn bilden, die gegen die PTC Widerstände drücken. Die Kontaktelemente können als Blattfedern, insbesondere als gebogene Blattfedern, ausgebildet sein.
Federkräfte können verwendet werden, um den PTC Widerstand bzw. die PTC Widerstände in dem Rahmen zu klemmen. Beispielsweise können die elektrischen Kontaktelemente als Blechstreifen ausgebildet sein. Ein Randbereich eines solchen Streifens kann abgebogen sein, so dass das Kontaktelement federnd gegen den PTC Widerstand bzw. die PTC Widerstände drücken kann. Die abgebogenen Randbereiche wirken wie eine gebogene Blattfeder.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht ein Rohr vor, in dem der keramische PTC Widerstand oder die PTC Widerstände sowie die Kontaktelemente angeordnet sind. Ein solches Rohr kann aus Metall hergestellt sein und elektrisch durch Schichten aus keramischem Material oder einem anderen Isolator, der die Vorderseite und die Rückseite des PTC Widerstands bzw. der PTC Widerstände bedeckt, isoliert sein.
Die Erfindung kann beispielsweise als ein Luftheizer ausgebildet sein, der mehrere stabförmige Heizvorrichtungen enthält, die nebeneinander angeordnet sind, wobei Kühlrippen zwischen benachbarten Heizvorrichtungen angeordnet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine elektrische Heizvorrichtung;
2 einen Rahmen, der Kontaktelemente und mehrere PTC Widerstände hält;
3 eine andere Ansicht zu 2;
4 eine Detailansicht zu 3; und
5 eine Schnittansicht zu 3.

1 zeigt eine Heizvorrichtung zum Beheizen des Innenraums einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs. Die in 1 gezeigte Heizvorrichtung ist ein Luftheizer mit mehreren Heizstäben 1 und Kühlrippen 2, die mit den Heizstäben 1 verbunden sind. Die Heizstäbe 1 sind nebeneinander angeordnet und die Kühlrippen 2 zwischen ihnen. Die Enden der Heizstäbe 1 sind von Halterungen 8, 9 gehalten.
Die Heizstäbe 1 können Rohre aufweisen, z. B. Flachrohre, in denen plattenförmige PTC Widerstände aus einer auf Bariumtitanat basierenden Keramik angeordnet sind. Die Rohre der Heizstäbe können aus Metall sein, z. B. einer Aluminiumbasislegierung. Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines isolierenden Rahmens 6, der mehrere plattenförmige PTC Widerstände 3 und elektrische Kontaktelemente 4 hält. 4 zeigt eine Detailansicht zu 3, nämlich ein Ende des Rahmens 6 und der Kontaktelemente 4 zusammen mit einem der PTC Widerstände 3. 5 zeigt eine Schnittansicht des Rahmens 6 mit Kontaktelementen 4 und PTC Widerstand 3.
Die plattenförmigen PTC Widerstände 3 haben eine Vorderseite 31, eine Rückseite 32 und Schmalseiten 33, 34. Der Abstand von der Vorderseite 31 zur Rückseite 32 ist die Dicke des plattenförmigen PTC Widerstands 3. Der Abstand zwischen gegenüberliegenden Schmalseiten 33, 34 ist die Breite des plattenförmigen PTC Widerstands 3.
Die plattenförmigen PTC Widerstände 3 sind elektrisch durch die Kontaktelemente 4 auf gegenüberliegenden Schmalseiten 33, 34 kontaktiert. Heizstrom fließt somit durch die PTC Widerstände 3 in der durch die plattenförmigen PTC Widerstände 3 definierten Ebene über die Breite des PTC Widerstandes 3. Im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen, bei denen der Heizstrom von einer Vorderseite zu einer Rückseite eines plattenförmigen PTC Widerstandes in der Dickenrichtung des plattenförmigen PTC Widerstandes fließt, ist der elektrische Widerstand, der durch den gegenüberliegenden Schmalseiten kontaktierte PTC Widerstand 3 gegeben ist, viel größer. Heizströme sind deshalb vorteilhaft reduziert, selbst wenn an die Kontaktelemente 4 Hochspannung angelegt wird.
Die Kontaktelemente 4 sind in den Rahmen 6 eingebettet, beispielsweise durch Umspritzen. Die Kontaktelemente 4 können Blechstreifen sein, so dass jedes Kontaktelement 4 elektrisch mehrere plattenförmige PTC Widerstände 3 kontaktiert, die in einer Reihe angeordnet und von dem Rahmen 6 gehalten sind.
Die PTC Widerstände 3 können zwischen den Kontaktelementen 4 eingeklemmt sein. Beispielsweise können die Kontaktelemente Blechstreifen mit abgebogenen Randbereichen 41 sein, die federnd gegen die Schmalseiten der PTC Widerstände 3 drücken und Kontaktzungen bilden. Klemmkräfte können nach Bedarf reduziert werden, indem Teile der abgebogenen Randbereiche 41 ausgeschnitten werden.
Die Schmalseiten 33, 34 der PTC Widerstände 3, die von den Kontaktelementen 4 kontaktiert werden, können eine Metallschicht tragen, um den elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktelementen 4 und den PTC Widerständen 3 zu verbessern.
Von den PTC Widerständen 3 erzeugte Wärme wird auf ein Rohr des Heizstabs 1 über die Vorder- und Rückseite 31, 32 der PTC Widerstände 3 übertragen. Die PTC Widerstände 3 können elektrisch von einem umgebenden Rohr durch Isolierschichten isoliert sein, welche die Vorder- und Rückseiten 31, 32 bedecken, z. B. durch Schichten aus Keramikmaterial wie Aluminiumoxid. Flachrohre können verpresst werden, um die thermische Ankopplung zu verbessern, nachdem der Rahmen 6 mit den PTC Widerständen 3, Kontaktelementen 4 und Isolierschichten darin angeordnet wurde. Das Zusammendrücken der Flachrohre macht diese flacher und bewirkt Druck auf die Vorder- und Rückseiten 31, 32 der PTC Widerstände 3.
Bezugszeichenliste

1: Heizstab
2: Kühlrippe
3: PTC Widerstand
4: Kontaktelement
6: Rahmen
8: Halterung
9: Halterung
31: Vorderseite
32: Rückseite
33: Schmalseite
34: Schmalseite
41: Abgebogener Handbereich

Claims

Heizvorrichtung mit einem plattenförmigen PTC Widerstand (3), der eine Dicke, eine Vorderseite (31), eine Rückseite (32) und Schmalseiten (33, 34) aufweist, wobei der Abstand von der Vorderseite (31) zu der Rückseite (32) die Dicke ist, und einem ersten Kontaktelement (4) und einem zweiten Kontaktelement (4), die den PTC Widerstand (3) elektrisch kontaktieren, wobei der PTC Widerstand (3) von den Kontaktelementen (4) an gegenüberliegenden Schmalseiten (33, 34) elektrisch kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktelemente (4) Blechstreifen sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrisch isolierenden Rahmen (6), der den PTC Widerstand (3) und die Kontaktelemente (4) hält.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (4) in den Rahmen (6) eingebettet sind, vorzugsweise durch Umspritzen.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere plattenförmige keramische PTC Widerstände (3) enthält, die in einer Reihe angeordnet sind und elektrisch an gegenüberliegenden Schmalseiten (33, 34) kontaktiert werden.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Rohr, in dem der keramische PTC Widerstand (3) oder die Widerstände und die Kontaktelemente (4) angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (4) die PTC Widerstände (3) mit abgebogenen Randbereichen (41) kontaktieren.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktelemente (4) federnd gegen die Schmalseiten (33, 34) des PTC Widerstands oder der PTC Widerstände drücken.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmalseiten (33, 34) des PTC Widerstands bzw. der PTC Widerstände von einer Metallschicht bedeckt sind.
Luftheizer mit mehreren stabförmigen Heizvorrichtungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Heizvorrichtungen (1) nebeneinander angeordnet sind und Kühlrippen (2) zwischen benachbarten stangenförmigen Heizvorrichtungen (1) angeordnet sind.