DE102024122246A1

DE102024122246A1 - Heating element and electric heating system with at least one such heating element

Info

Publication number: DE102024122246A1
Application number: DE102024122246.8A
Authority: DE
Inventors: Manuel WEHOWSKI; Christoph Walter; Denis Wiedmann; Elke Dettling
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2024-08-05
Filing date: 2024-08-05
Publication date: 2026-02-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement (1) für ein elektrisches Heizsystem (2) aufweisend eine Trägerfolie (4), zumindest eine Heizzone (5), die flächig an der Trägerfolie (4) und entlang einer Aufreihungsrichtung (6) in Abstand zueinander angeordnete, streifenförmige PTC-Heizschichten (7a - 7e) aufweist, zumindest ein an der Trägerfolie (4) angeordnetes Kontaktelement (8) zur elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizschichten (7a - 7e) der zumindest einen Heizzone (5) sowie zumindest zwei elektrisch leitfähige, an der Trägerfolie (4) angeordnete Sammelleiter (13, 14). Damit eine relativ homogene Temperaturverteilung in dem Heizelement (1) erreicht werden kann, ist vorgesehen, dass die PTC-Heizschichten (7a - 7e) der zumindest einen Heizzone (5) jeweils ein Schichtvolumen (17a - 17e) aufweisen, wobei die Schichtvolumina (17a - 17e) der PTC-Heizschichten (7a - 7e) der zumindest einen Heizzone (5) entlang der Aufreihungsrichtung (6) variieren. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Heizsystem (2) mit zumindest einem solchen Heizelement (1). The present invention relates to a heating element (1) for an electric heating system (2) comprising a carrier film (4), at least one heating zone (5) which has strip-shaped PTC heating layers (7a - 7e) arranged at intervals from each other on the carrier film (4) and along a direction of arrangement (6), at least one contact element (8) arranged on the carrier film (4) for electrical contacting the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) and at least two electrically conductive busbars (13, 14) arranged on the carrier film (4). To achieve a relatively homogeneous temperature distribution in the heating element (1), the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) each have a layer volume (17a - 17e), wherein the layer volumes (17a - 17e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) vary along the arrangement direction (6). The present invention further relates to an electric heating system (2) with at least one such heating element (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement für ein elektrisches Heizsystem gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Heizsystem mit zumindest einem solchen Heizelement.The present invention relates to a heating element for an electric heating system according to the subject matter of claim 1. The invention further relates to an electric heating system with at least one such heating element.

Heizelemente werden insbesondere in Kabinenheizungen oder Klimatisierungseinrichtungen von modernen Elektrofahrzeugen eingesetzt, um Kabinenluft auf eine von Nutzern des Fahrzeugs vorgegebene Temperatur zu erhitzen. Die bekannten Heizelemente besitzen in der Regel keramische PTC-Heizer (PTC - positive temperature coefficient), insbesondere PTC-Thermistoren, die insbesondere wegen ihrer strombegrenzenden elektrischen Eigenschaften (ein exponentiell mit der Temperatur ansteigender elektrischer Widerstand) einen sicheren Betrieb gewährleisten. Nachteilig bei den PTC-Heizern, insbesondere den PTC-Thermistoren, ist ihr hohes Gewicht, die oft aufwändige elektrische Anbindung und elektrische Isolation sowie die dadurch konstruktiv limitierten Einbaumöglichkeiten in einer Kabinenheizung oder einer Klimatisierungseinrichtung. Außerdem weisen gängige PTC-Heizer, insbesondere die PTC-Thermistoren, Anteile von Blei auf, was aus Umweltschutzgründen unerwünscht ist. Weiterhin besteht die Problematik, dass die Heizelemente im Betrieb eine inhomogene Temperaturbelastung erfahren, die zu unerwünschten thermischen Spannungen sowie zu Leistungsverlusten führt.Heating elements are used particularly in cabin heaters or air conditioning systems of modern electric vehicles to heat cabin air to a temperature specified by the vehicle's occupants. These heating elements typically employ ceramic PTC heaters (PTC - positive temperature coefficient), especially PTC thermistors, which ensure safe operation primarily due to their current-limiting electrical properties (an electrical resistance that increases exponentially with temperature). Disadvantages of PTC heaters, particularly PTC thermistors, include their high weight, the often complex electrical connections and insulation, and the resulting limitations in their installation within cabin heaters or air conditioning systems. Furthermore, common PTC heaters, especially PTC thermistors, contain lead, which is undesirable from an environmental perspective. Another issue is that the heating elements experience inhomogeneous temperature stress during operation, leading to undesirable thermal stresses and power losses.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform eines Heizelements bereitzustellen. Weiterhin soll ein elektrisches Heizsystem mit zumindest einem solchen Heizelement angegeben werden.The object of the invention is therefore to provide an improved or at least a different embodiment of a heating element. Furthermore, an electric heating system with at least one such heating element is to be specified.

Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.In the present invention, these problems are solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the description, and the drawings.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Heizelement für ein elektrisches Heizsystem, das eine Trägerfolie, zumindest eine Heizzone, die flächig an der besagten Trägerfolie und entlang einer Aufreihungsrichtung in Abstand zueinander angeordnete, streifenförmige PTC-Heizschichten aufweist, weiterhin zumindest ein an der besagten Trägerfolie angeordnetes Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone und weiterhin zumindest zwei elektrisch leitfähige, an der besagten Trägerfolie angeordnete Sammelleiter aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass das zumindest eine Kontaktelement eine erste, kammförmige Leiterstruktur mit elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden und eine zweite, kammförmige Leiterstruktur mit elektrisch leitfähigen Kontaktelektroden aufweist, die fingerartig ineinandergreifen. Weiterhin ist ein erster Sammelleiter der zumindest zwei Sammelleiter einem ersten elektrischen Potential und der zweite Sammelleiter der zumindest zwei Sammelleiter einem zweiten, vom ersten elektrischen Potential verschiedenen elektrischen Potential zugeordnet. Dabei ist der erste Sammelleiter mit der ersten Leiterstruktur des zumindest einen Kontaktelements und der zweite Sammelleiter mit der zweiten Leiterstruktur des zumindest einen Kontaktelements elektrisch leitfähig verbunden. Um eine relativ homogene Temperaturverteilung innerhalb des Heizelements zu erreichen, ist vorgesehen, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone jeweils ein Schichtvolumen aufweisen, wobei die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung variieren.The first problem is solved by a heating element for an electric heating system, comprising a carrier film, at least one heating zone, strip-shaped PTC heating layers arranged at intervals along the carrier film and in a specific orientation, at least one contact element for electrically contacting the PTC heating layers of the at least one heating zone, and at least two electrically conductive busbars arranged on the carrier film. The at least one contact element has a first comb-shaped conductor structure with electrically conductive contact electrodes and a second comb-shaped conductor structure with electrically conductive contact electrodes that interlock like fingers. Furthermore, the first busbar of the at least two conductors is assigned to a first electrical potential, and the second busbar of the at least two conductors is assigned to a second electrical potential different from the first. The first busbar is electrically connected to the first conductor structure of the at least one contact element, and the second busbar is electrically connected to the second conductor structure of the at least one contact element. In order to achieve a relatively homogeneous temperature distribution within the heating element, it is provided that the PTC heating layers of the at least one heating zone each have a layer volume, wherein the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone vary along the alignment direction.

Das bedeutet insbesondere, dass die Schichtvolumina von in der Aufreihungsrichtung benachbarten PTC-Heizschichten der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone verschieden sind. Die Erfinder haben erkannt, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone durch diese Maßnahme bei der gegebenen elektrischen Kontaktierung mittels des zumindest einen Kontaktelements verschiedene Heizleistungen, d.h. verschiedene Wärmeströme, generieren können. Das hat den vorteilhaften Effekt, dass eine, seither im Betrieb von bekannten Heizelementen auftretende inhomogene Temperaturverteilung eines Heizelements entlang der Aufreihungsrichtung vermieden oder zumindest verringert wird. Hierdurch wird also eine Temperaturhomogenisierung eines Heizelements erreicht, was insbesondere thermisch bedingte Spannungen im Heizelement reduziert. This means, in particular, that the layer volumes of adjacent PTC heating layers in the direction of the arrangement differ between the PTC heating layers of the at least one heating zone. The inventors recognized that, due to this measure, the PTC heating layers of the at least one heating zone can generate different heating powers, i.e., different heat flows, with the given electrical contact via the at least one contact element. This has the advantageous effect of avoiding or at least reducing the inhomogeneous temperature distribution of a heating element along the arrangement direction, which has occurred in the operation of previously known heating elements. This achieves temperature homogenization of a heating element, which in particular reduces thermally induced stresses in the heating element.

Außerdem liegt ein weiterer vorteilhafter Effekt darin, dass bei dem vorgeschlagenen Heiz-element eine individuelle Ansteuerung oder individuelle Regelung von einzelnen PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone nicht notwendig ist, sodass der Aufbau des Heizelements daher vergleichsweise einfach und kostengünstig ist.Furthermore, another advantageous effect is that with the proposed heating element, individual control or regulation of individual PTC heating layers of at least one heating zone is not necessary, so that the construction of the heating element is comparatively simple and cost-effective.

Die Trägerfolie kann streifenförmig ausgeführt und insbesondere in der Art einer Folie flexibel gestaltet sein. Dadurch kann das Heizelement an beliebig geformte, insbesondere gekrümmte Oberflächenkonturen angeschmiegt werden, sodass das vorgeschlagene Heizelement ein relativ breites Einsatzspektrum besitzt. Insbesondere kann es platzsparend in einem Heizsystem, insbesondere eine Kabinenheizung oder eine Klimatisierungseinrichtung eines Elektrofahrzeugs, integriert werden. Die Trägerfolie kann aus einem Kunststoffwerkstoff hergestellt sein, was eine kostengünstige Herstellbarkeit des vorgeschlagenen Heizelements begünstigt.The carrier film can be in strip form and, in particular, be flexible like a film. This allows the heating element to conform to arbitrarily shaped, especially curved, surface contours, giving the proposed heating element a relatively wide range of applications. In particular, it can be integrated into a heating system, especially a cabin heater or an air conditioning system in an electric vehicle, saving space. The carrier film can be made of a plastic material. This should be the case, which facilitates the cost-effective manufacture of the proposed heating element.

Das erste elektrische Potential kann ein positives Potential sein. Das zweite elektrische Potential ist beispielsweise ein negatives elektrisches Potential, ein elektrisches Massepotential oder ein elektrisches Grundpotential. Eine Differenz zwischen dem ersten elektrischen Potential und dem zweiten elektrischen Potential kann Hochspannungsniveau besitzen.The first electrical potential can be a positive potential. The second electrical potential is, for example, a negative electrical potential, an electrical ground potential, or a ground potential. A difference between the first and second electrical potentials can represent a high voltage level.

Es ist weiterhin denkbar, dass die Trägerfolie einen Grundkörper aufweist, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und als ein quaderförmiger Folienkörper realisiert ist. Der Grundkörper bzw. der Folienkörper kann zwei, in Richtung der Längsachse einander entgegengesetzte Stirnschmalflächen, weiterhin zwei, in Richtung einer senkrecht auf der Längsachse stehenden Tiefenrichtung einander entgegengesetzte Seitenschmalflächen sowie weiterhin zwei, in einer senkrecht auf der Längsachse und senkrecht auf der Tiefenrichtung stehenden Hochrichtung einander entgegengesetzte Großflächen besitzen. Zweckmäßigerweise ist die zumindest eine Heizzone des Heizelements, die zumindest zwei Kontaktelemente des Heizelements sowie die Sammelleiter des Heizelements an einer ersten Großfläche der beiden Großflächen des Grundkörpers bzw. des Folienkörpers der Trägerfolie und/oder an einer zweiten Großfläche der beiden Großflächen des Grundkörpers bzw. des Folienkörpers der Trägerfolie angeordnet.It is also conceivable that the carrier film has a base body extending along a longitudinal axis and realized as a cuboid film body. The base body or film body can have two end faces opposite each other in the direction of the longitudinal axis, two side faces opposite each other in a depth direction perpendicular to the longitudinal axis, and two large surfaces opposite each other in a vertical direction perpendicular to both the longitudinal axis and the depth direction. Advantageously, the at least one heating zone of the heating element, the at least two contact elements of the heating element, and the busbars of the heating element are arranged on a first large surface of the two large surfaces of the base body or film body of the carrier film and/or on a second large surface of the two large surfaces of the base body or film body of the carrier film.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung abnehmen oder zunehmen. Dadurch nehmen die von den jeweiligen PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone generierten Heizleistungen, d.h. Wärmeströme, entlang der Aufreihungsrichtung entweder zu oder ab. Bei beiden Varianten kann eine Temperaturhomogenisierung des Heizelements erreicht werden. Prinzipiell kann bei der ersten Variante beobachtet werden, dass, wenn das vorgeschlagene Heizelement von beispielsweise einem in einer Strömungsrichtung über die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone strömenden Luftstrom aus Luft überströmt ist, die von einer ersten, anströmseitig angeordneten PTC-Heizschicht der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone generierte Heizleistung größer ist, als die Heizleistungen der stromab angeordneten, weiteren PTC-Heizschicht der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone. Das hat den Vorteil, dass eine ansteigende Lufttemperatur des Luftstroms entlang der überströmten PTC-Heizschichten nicht zu unterschiedlichen Bedingungen an den einzelnen PTC-Heizschichten führen kann. Bei der zweiten Variante kann prinzipiell beobachtet werden, dass, wenn das vorgeschlagene Heizelement von beispielsweise einem in einer Strömungsrichtung über die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone strömenden Luftstrom aus Luft überströmt ist, die von einer ersten, anströmseitig angeordneten PTC-Heizschicht der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone generierte Heizleistung kleiner ist, als die Heizleistungen der stromab angeordneten, weiteren PTC-Heizschicht der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone. Hierdurch wird ebenfalls erreicht, dass eine ansteigende Lufttemperatur des Luftstroms entlang der überströmten PTC-Heizschichten nicht zu unterschiedlichen Bedingungen an den einzelnen PTC-Heizschichten führen kann.Advantageously, the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone can be designed to decrease or increase along the direction of the arrangement. This results in the heating power, i.e., heat flows, generated by the respective PTC heating layers of the at least one heating zone either increasing or decreasing along the direction of the arrangement. Temperature homogenization of the heating element can be achieved with both variants. In principle, it can be observed in the first variant that if the proposed heating element is exposed to, for example, an airflow flowing in one direction over the PTC heating layers of the at least one heating zone, the heating power generated by a first, upstream PTC heating layer of the at least one heating zone is greater than the heating power of the downstream PTC heating layer of the at least one heating zone. This has the advantage that an increasing air temperature of the airflow along the PTC heating layers cannot lead to different conditions at the individual PTC heating layers. In the second variant, it can generally be observed that if the proposed heating element is exposed to, for example, an airflow flowing in one direction over the PTC heating layers of at least one heating zone, the heating power generated by a first, upstream PTC heating layer of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating zones is lower than the heating power of the downstream, further PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating layers of the PTC heating zones. This also ensures that an increasing air temperature of the airflow along the PTC heating layers cannot lead to different conditions at the individual PTC heating layers.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung konstant oder stetig zunehmen oder abnehmen. Weiterhin kann man sich vorstellen, dass die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung nicht-linear zunehmen oder abnehmen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung zunächst, d.h. in einem ersten Abschnitt der zumindest einen Heizzone, nicht-linear zunehmen oder abnehmen und dann, d.h. in einem zweiten, an den ersten Abschnitt angrenzenden Abschnitt der zumindest einen Heizzone, konstant oder linear zunehmen oder abnehmen. Die nicht-lineare Zunahme oder Abnahme der Schichtvolumina ist zweckmäßigerweise zunächst relativ groß und kann sich im weiteren Verlauf entlang der Aufreihungsrichtung einer konstanten Zunahme oder Abnahme annähern.In a further embodiment of the invention, the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone can increase or decrease constantly or continuously along the alignment direction. Furthermore, it is conceivable that the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone increase or decrease non-linearly along the alignment direction. It can be advantageous if the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone initially increase or decrease non-linearly in a first section of the at least one heating zone and then increase or decrease constantly or linearly in a second section adjacent to the first section of the at least one heating zone. The non-linear increase or decrease of the layer volumes is expediently initially relatively large and can subsequently approach a constant increase or decrease along the alignment direction.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die PTC-Heizschichten jeweils eine quer zur Aufreihungsrichtung orientierte Haupterstreckung, die hierin auch als Schichtbreite verstanden wird, eine orthogonal zur Haupterstreckung orientierte Schichttiefe sowie eine orthogonal zur Schichttiefe sowie orthogonal zur Haupterstreckung orientierte Schichtdicke aufweisen. Dadurch besitzen die PTC-Heizschichten jeweils eine quaderförmige Gestalt, wobei es sich zweckmäßigerweise je um eine Flachgestalt handelt, deren Schichtdicke gegenüber der Schichttiefe und der Haupterstreckung, die man auch als Schichtbreite bezeichnen kann, klein ist.In particular, it can be provided that the PTC heating layers each have a main extent oriented transverse to the orientation direction, which is also understood here as layer width, a layer depth oriented orthogonal to the main extent, and a layer thickness oriented orthogonal to both the layer depth and the main extent. As a result, the PTC heating layers each have a cuboid shape, which is expediently a flat shape, the layer thickness of which is small compared to the layer depth and the main extent, which can also be referred to as the layer width.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass insbesondere ausschließlich, die Schichttiefen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung zunehmen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass insbesondere ausschließlich, die Schichttiefen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung abnehmen. Hierdurch wird eine Variation der Schichtvolumina bzw. der generierbaren Heizleistungen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone, insbesondere ausschließlich, über eine Anpassung der Schichttiefen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone erreicht. Dabei sind die Haupterstreckungen und die Schichtdicken der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone bevorzugt konstant oder stetig. Das hat den Vorteil, dass, wenn das vorgeschlagene Heizelement von beispielsweise einem in einer parallel zur Aufreihungsrichtung orientierten Strömungsrichtung über die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone strömenden Luftstrom aus Luft überströmt ist, eine relativ homogene Temperaturverteilung des Heizelements erreicht wird. Durch die vorstehend erläuterte Variation der Schichttiefen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone werden insbesondere Wärmeauskoppelflächen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone variiert. Dabei ist die Wärmeauskoppelfläche einer jeweiligen PTC-Heizschicht diejenige Fläche, die an einer von der Trägerfolie abgewandten Seite der PTC-Heizschicht von der Schichttiefe und der Haupterstreckung aufgespannt wird.Furthermore, it can be provided that, in particular exclusively, the layer depths of the PTC heating layers of at least one heating zone increase along the direction of the array. Alternatively, it can be provided that, in particular exclusively, the layer depths of the PTC heating layers of at least one heating zone decrease along the direction of the array. This results in a variable The variation of the layer volumes or the generable heating power of the PTC heating layers of the at least one heating zone is achieved, in particular exclusively, by adjusting the layer depths of the PTC heating layers of the at least one heating zone. The main extents and the layer thicknesses of the PTC heating layers of the at least one heating zone are preferably constant or continuous. This has the advantage that, when the proposed heating element is exposed to, for example, an airflow flowing in a direction parallel to the arrangement direction over the PTC heating layers of the at least one heating zone, a relatively homogeneous temperature distribution of the heating element is achieved. The variation of the layer depths of the PTC heating layers of the at least one heating zone, as described above, particularly varies the heat dissipation areas of the PTC heating layers of the at least one heating zone. The heat dissipation area of a respective PTC heating layer is the area defined by the layer depth and the main extent on a side of the PTC heating layer facing away from the support film.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass, insbesondere ausschließlich, die Schichtdicken der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung abnehmen oder zunehmen. Hierdurch wird eine Variation der Schichtvolumina bzw. der generierbaren Heizleistungen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone, insbesondere ausschließlich, durch eine Anpassung der Schichtdicken der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone erreicht. Dabei sind die Haupterstreckungen und die Schichttiefen der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone bevorzugt konstant oder stetig. Das hat den Vorteil, dass, wenn das vorgeschlagene Heizelement von beispielsweise einem in einer parallel zur Aufreihungsrichtung orientierten Strömungsrichtung über die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone strömenden Luftstrom aus Luft überströmt ist, eine relativ homogene Temperaturverteilung des Heizelements erreicht wird.Furthermore, it can be provided that, in particular exclusively, the layer thicknesses of the PTC heating layers of the at least one heating zone decrease or increase along the orientation direction. This allows for a variation in the layer volumes or the generable heating power of the PTC heating layers of the at least one heating zone, in particular exclusively, by adjusting the layer thicknesses of the PTC heating layers of the at least one heating zone. The main extents and layer depths of the PTC heating layers of the at least one heating zone are preferably constant or continuous. This has the advantage that, when the proposed heating element is exposed to, for example, an airflow flowing in a direction parallel to the orientation direction over the PTC heating layers of the at least one heating zone, a relatively homogeneous temperature distribution of the heating element is achieved.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone in einem Siebdruckverfahren hergestellt sind. Dadurch können die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone kostengünstig bereitgestellt werden. Die Erzeugung der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone im Rahmen eines Siebdruckverfahrens hat insbesondere den Vorteil, dass verschiedene Schichtdicken der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone einfach umgesetzt werden können. Beispielsweise kann im Rahmen eines Siebdruckverfahrens zur Erzielung einer PTC-Heizschicht mit einer vergleichsweise großen Schichtdicke mehrere Siebdruckaufträge erfolgen, sodass also diese PTC-Heizschicht aus mehreren aufeinanderliegenden Lagen erzeugt ist. Zur Bereitstellung von PTC-Heizschichten mit vergleichsweise geringer Schichtdicke kann im Rahmen eines Siebdruckverfahrens prinzipiell ein einziger Siebdruckauftrag ausreichend sein.It can be advantageous to produce the PTC heating layers of at least one heating zone using a screen printing process. This allows for a cost-effective supply of the PTC heating layers for at least one heating zone. The production of the PTC heating layers for at least one heating zone using a screen printing process has the particular advantage that different layer thicknesses can be easily achieved. For example, to achieve a PTC heating layer with a relatively large layer thickness, several screen printing passes can be made, resulting in a PTC heating layer made up of several superimposed layers. To provide PTC heating layers with a comparatively small layer thickness, a single screen printing pass may, in principle, suffice.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone als organische PTC-Heizschichten ausgebildet sind. Dabei können die organischen PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone je ein elektrisch leitfähiges, organisches Aktivmaterial aufweisen oder von einem solchen Aktivmaterial gebildet sein. Das Aktivmaterial besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, wodurch ein PTC-Effekt generiert wird, durch den die besagten PTC-Heizschichten bei niedrigen Temperaturen den Strom besser leiten als bei höheren Temperaturen. Bei diesen PTC-Heizschichten steigt der elektrische Widerstand mit der Temperatur in einem relativ eng begrenzten Temperaturfenster signifikant an, sodass sie eine strombegrenzende Wirkung haben und beispielsweise als Heizelement eingesetzt werden können. Das besagte Aktivmaterial kann eine Materialzusammensetzung mit oder aus beispielsweise einem organischen Polymer aufweisen.Furthermore, the PTC heating layers of at least one heating zone can be designed as organic PTC heating layers. These organic PTC heating layers can each contain or be composed of an electrically conductive organic active material. The active material has a positive temperature coefficient of electrical resistance, generating a PTC effect that allows the heating layers to conduct electricity better at lower temperatures than at higher temperatures. In these PTC heating layers, the electrical resistance increases significantly with temperature within a relatively narrow temperature range, thus limiting the current and enabling their use as heating elements. The active material can be composed of, for example, an organic polymer.

Es ist ferner vorstellbar, dass die Trägerfolie sich entlang einer Längsachse erstreckt. Dabei können die Längsachse und die Aufreihungsrichtung zueinander orthogonal oder parallel ausgerichtet sein. Daraus resultieren zwei verschiedene Bauformen des vorgeschlagenen Heizelements. Bei der ersten Bauform, bei der die Längsachse und die Aufreihungsrichtung zueinander orthogonal sind, sind die an der Trägerfolie angeordneten, streifenförmigen PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone quer (d.h. orthogonal) zur Längsachse hintereinander aufgereiht. Dadurch werden die PTC-Heizschichten im Betrieb des vorgeschlagenen Heizelements, bei dem das Heizelement von einem, sich in einer quer (d.h. orthogonal) zur Längsachse orientierten Strömungsrichtung bewegenden Luftstrom von Luft umspült wird, sequentiell mit Luft beaufschlagt. Das hat den Vorteil, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone jeweils auf einem Temperaturniveau arbeiten, d.h. entlang ihrer jeweiligen Erstreckung keine Temperaturverteilung sehen.It is also conceivable that the carrier film extends along a longitudinal axis. The longitudinal axis and the arrangement direction can be either orthogonal or parallel to each other. This results in two different designs of the proposed heating element. In the first design, where the longitudinal axis and the arrangement direction are orthogonal, the strip-shaped PTC heating layers of at least one heating zone, arranged on the carrier film, are arranged one behind the other transversely (i.e., orthogonally) to the longitudinal axis. This means that, during operation of the proposed heating element, in which the heating element is surrounded by an airflow moving in a direction transversely (i.e., orthogonally) to the longitudinal axis, the PTC heating layers are sequentially exposed to air. This has the advantage that the PTC heating layers of at least one heating zone each operate at a single temperature level, i.e., they do not experience a temperature distribution along their respective lengths.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass an der Trägerfolie zumindest ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Trägerfolie und/oder eines sich in einer quer zur Längsachse orientierten Strömungsrichtung über das Heizelement strömenden Luftstroms von Luft angeordnet ist. Anhand des zumindest einen Temperatursensors kann der Betrieb des vorgeschlagenen Heizelements überwacht, beispielsweise geregelt, werden. Der zumindest ein Temperatursensor kann dabei an einer Abströmseite der Trägerfolie angeordnet sein. Zur platzsparenden Anordnung kann der zumindest eine Temperatursensor weiterhin im Bereich einer an der Abströmseite der Trägerfolie angeordneten PTC-Heizschicht der zumindest einen Heizzone in die Trägerfolie integriert sein. Zur platzsparenden Anordnung des Temperatursensors auf der Trägerfolie kann insbesondere vorgesehen sein, dass die in Richtung der Strömungsrichtung gesehen letzte PTC-Heizschicht der zumindest einen Heizzone quer zur Aufreihungsrichtung verkürzt ist, wobei der dadurch freigewordene Bereich auf der Trägerfolie eine Bestückungsfläche zur Anordnung des Temperatursensors definiert.According to a further embodiment, at least one temperature sensor can be arranged on the carrier film to detect the temperature of the carrier film and/or of an airflow passing over the heating element in a direction oriented transverse to the longitudinal axis. The operation of the proposed heating element can be monitored using the at least one temperature sensor. This can be regulated, for example. The at least one temperature sensor can be arranged on an outflow side of the carrier film. For space-saving arrangement, the at least one temperature sensor can also be integrated into the carrier film in the area of a PTC heating layer of the at least one heating zone located on the outflow side of the carrier film. For space-saving arrangement of the temperature sensor on the carrier film, it can be provided, in particular, that the last PTC heating layer of the at least one heating zone, viewed in the direction of flow, is shortened perpendicular to the direction of assembly, whereby the area thereby freed up on the carrier film defines a mounting area for the temperature sensor.

Die eingangs zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Heizsystem, insbesondere als Bestandteil einer Kabinenheizung oder als Bestandteil einer Klimatisierungseinrichtung eines Elektrofahrzeugs, aufweisend zumindest ein Heizelement gemäß der vorhergehenden Beschreibung sowie einen von einem Luftstrom aus Luft durchströmten Kanal. Dabei ist das zumindest eine Heizelement an dem Kanal flächig angeordnet, derart, dass im Betrieb des Heizsystems Wärme, die von dem zumindest einen Heizelement bereitgestellt ist, von dem zumindest einen Heizelement auf den durch den Kanal strömenden Luftstrom aus Luft übertragen ist. Bei einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Heizsystems kann vorgesehen sein, dass das elektrische Heizsystem einen weiteren, vom Luftstrom aus Luft durchströmten Kanal aufweist. Dabei ist das zumindest eine Heizelement weiterhin an dem weiteren Kanal flächig angeordnet, derart, dass das zumindest eine Heizelement sandwichartig zwischen dem Kanal und dem weiteren Kanal angeordnet ist und im Betrieb des Heizsystems Wärme, die von dem zumindest einen Heizelement bereitgestellt ist, von dem zumindest einen Heizelement auf den durch den weiteren Kanal strömenden Luftstrom aus Luft übertragen ist. Der Begriff „sandwichartig“ soll dabei bedeuten, dass das zumindest eine Heizelement spaltfrei zwischen dem Kanal und dem weiteren Kanal positioniert ist. Dadurch ist ein vorteilhaftes Heizsystem mit zumindest einem Heizelement angegeben. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung können Wärmeübertragerrippen, beispielsweise zickzackförmig ausgeführte Wärmeübertragerrippen, in dem Kanal oder in dem Kanal und dem weiteren Kanal vorgesehen sein. Die Wärmeübertragerrippen sind dabei je parallel zu einer Strömungsrichtung des Luftstroms aus Luft in dem Kanal und/oder einer Strömungsrichtung des Luftstroms aus der Luft in dem weiteren Kanal angeordnet, sodass die Wärmeübertragerrippen günstig von Luft umspült werden. The second problem mentioned at the outset is solved by an electric heating system, in particular as a component of a cabin heater or as a component of an air conditioning system of an electric vehicle, comprising at least one heating element according to the preceding description and a channel through which an airflow carries. The at least one heating element is arranged flat on the channel such that, during operation of the heating system, heat provided by the at least one heating element is transferred from the at least one heating element to the airflow carrying through the channel. In a further embodiment of the electric heating system, it may be provided that the electric heating system has a further channel through which the airflow carries. The at least one heating element is further arranged flat on the further channel such that the at least one heating element is sandwiched between the channel and the further channel, and during operation of the heating system, heat provided by the at least one heating element is transferred from the at least one heating element to the airflow carrying through the further channel. The term "sandwich-like" means that at least one heating element is positioned without a gap between the duct and the subsequent duct. This indicates an advantageous heating system with at least one heating element. To improve heat transfer, heat exchanger fins, for example, zigzag-shaped heat exchanger fins, can be provided in the duct or in the duct and the subsequent duct. The heat exchanger fins are arranged parallel to the airflow direction from the duct and/or the airflow direction from the duct, ensuring that the heat exchanger fins are optimally exposed to airflow.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft zweckmäßigerweise ein Heizelement für ein elektrisches Heizsystem aufweisend eine Trägerfolie, zumindest eine Heizzone, die flächig an der Trägerfolie und entlang einer Aufreihungsrichtung in Abstand zueinander angeordnete, streifenförmige PTC-Heizschichten aufweist, zumindest ein an der Trägerfolie angeordnetes Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone sowie zumindest zwei elektrisch leitfähige, an der Trägerfolie angeordnete Sammelleiter. Damit eine relativ homogene Temperaturverteilung in dem Heizelement erreicht werden kann, ist vorgesehen, dass die PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone jeweils ein Schichtvolumen aufweisen, wobei die Schichtvolumina der PTC-Heizschichten der zumindest einen Heizzone entlang der Aufreihungsrichtung variieren. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin zweckmäßigerweise ein elektrisches Heizsystem mit zumindest einem solchen Heizelement.In summary, the present invention advantageously relates to a heating element for an electric heating system comprising a carrier film, at least one heating zone having strip-shaped PTC heating layers arranged at intervals across the entire surface of the carrier film and along an array direction, at least one contact element arranged on the carrier film for electrically contacting the PTC heating layers of the at least one heating zone, and at least two electrically conductive busbars arranged on the carrier film. To achieve a relatively homogeneous temperature distribution in the heating element, the PTC heating layers of the at least one heating zone each have a layer volume, the layer volumes of the PTC heating layers of the at least one heating zone varying along the array direction. The present invention further advantageously relates to an electric heating system with at least one such heating element.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, the drawings and the associated description of the figures based on the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually, without departing from the scope of the present invention. The components of a higher-level unit, such as a device, apparatus, or arrangement, mentioned above and those to be mentioned below, which are designated separately, can form separate parts or components of this unit or be integral areas or sections of this unit, even if this is depicted differently in the drawings.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Preferred embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein identical reference numerals refer to identical or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 ein stark vereinfachtes Heizelement in einer Draufsicht,
2 eine stark vereinfachte Heizzone des Heizelements aus 1 in einer vergrößerten Ansicht und
3 ein stark vereinfachtes Heizsystem mit einem Heizelement.

Each of these shows, schematically,

1 a highly simplified heating element in a top view,
2 a greatly simplified heating zone of the heating element made of 1 in an enlarged view and
3 a greatly simplified heating system with one heating element.

Die 1 zeigt ein im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichnetes elektrisches Heizelement gemäß einer ersten, schematischen Ausführungsform in einer Draufsicht. Das Heizelement 1 besitzt eine Trägerfolie 4, die von streifenförmiger Gestalt ist und sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt. Die Trägerfolie 4 ist vorliegend lediglich ausschnittsweise dargestellt. Die Trägerfolie 4 ist in der Art einer Folie elastisch flexibel gestaltet, wodurch das Heizelement 1 sich an nahezu beliebig geformte, insbesondere gekrümmte Oberflächenkonturen eines elektrischen Heizsystems 2, insbesondere eine Kabinenheizung oder eine Klimatisierungseinrichtung eines Elektrofahrzeugs, anschmiegen lässt. Hierdurch besitzt das vorgeschlagene Heizelement 1 ein relativ breites Einsatzspektrum. Die Trägerfolie 4 besitzt weiterhin einen bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial hergestellten (Folien-) Grundkörper, der in Richtung der Längsachse 3 einander entgegengesetzte, nicht illustrierte Stirnschmalflächen, weiterhin zwei, in Richtung einer senkrecht auf der Längsachse 3 stehenden Tiefenrichtung einander entgegengesetzte Seitenschmalflächen sowie weiterhin zwei, in einer senkrecht auf der Längsachse 3 und senkrecht auf der Tiefenrichtung stehenden Hochrichtung einander entgegengesetzte Großflächen aufweist, von denen in 1 lediglich eine Großfläche 25 ersichtlich ist.The 1 Figure 1 shows a top view of an electrical heating element, designated in its entirety by reference numeral 1, according to a first, schematic embodiment. The heating element 1 has a carrier film 4, which is strip-shaped and extends along a longitudinal axis 3. Only a section of the carrier film 4 is shown here. The carrier film 4 is elastically flexible, like a film, which allows the heating element 1 to conform to almost any shaped, especially curved, surface contours of an electrical heating system 2, in particular a cabin heater or an air conditioning unit of an electric vehicle. This gives the proposed heating element 1 a relatively wide range of applications. The carrier film 4 further comprises a (film) base body, preferably made of a plastic material, which has opposite end faces (not illustrated) in the direction of the longitudinal axis 3, two opposite side faces in the direction of a depth direction perpendicular to the longitudinal axis 3, and two opposite large surfaces in a vertical direction perpendicular to both the longitudinal axis 3 and the depth direction, of which in 1 Only one large area, 25, is visible.

Um Wärme bereitstellen zu können, besitzt das elektrische Heizelement 1 vorliegend zumindest eine, vorzugsweise mehrere in Richtung der Längsachse 3 in Abstand zueinander vorgesehene Heizzonen 5, die in 1 je durch ein gestricheltes Kästchen angedeutet sind. Die Heizzonen 5 bilden die tatsächlich thermisch aktiven Bereiche des Heizelements 1. Sie besitzen je mehrere, hier fünf, flächig an der Großfläche 25 der Trägerfolie 4 angeordnete, entlang einer Aufreihungsrichtung 6, die in 1 und 2 durch einen Pfeil angedeutet ist, in regelmäßigem Abstand zueinander hintereinander aufgereihte, zueinander parallel ausgerichtete und streifenförmige oder rechteckförmige PTC-Heizschichten 7a-7e (PTC - positive temperature coefficient). Dabei weisen die PTC-Heizschichten 7a-7e jeweils eine quer zur Aufreihungsrichtung 6 orientierte Haupterstreckung 18a-18e, die hierin auch als Schichtbreite verstanden wird, eine orthogonal zur Haupterstreckung 18a-18e ausgerichtete Schichttiefe 19a-19e sowie eine orthogonal zur Schichttiefe 19a-19e sowie orthogonal zur Haupterstreckung 18a-18e ausgerichtete Schichtdicke 20a-20e auf. Weiterhin sind die PTC-Heizschichten 7a-7e als organische PTC-Heizschichten ausgebildet. Dementsprechend weisen sie ein elektrisch leitfähiges, organisches Aktivmaterial auf oder sind von einem solchen Aktivmaterial gebildet. Das Aktivmaterial besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, wodurch ein PTC-Effekt generiert wird, durch den die besagten PTC-Heizschichten 7a-7e bei niedrigen Temperaturen den Strom besser leiten als bei höheren Temperaturen. Außerdem steigt bei diesen PTC-Heizschichten 7a-7e der elektrische Widerstand mit der Temperatur in einem relativ eng begrenzten Temperaturfenster signifikant an, sodass sie eine strombegrenzende Wirkung haben.In order to provide heat, the electric heating element 1 has at least one, preferably several, heating zones 5 arranged at a distance from each other in the direction of the longitudinal axis 3, which are in 1 Each is indicated by a dashed box. The heating zones 5 form the actually thermally active areas of the heating element 1. They each have several, here five, arranged across the large surface 25 of the carrier film 4, along an array direction 6, which is in 1 and 2 As indicated by an arrow, strip-shaped or rectangular PTC heating layers 7a-7e (PTC - positive temperature coefficient) are arranged at regular intervals, parallel to each other, and in a row. Each PTC heating layer 7a-7e has a main extent 18a-18e oriented transversely to the arrangement direction 6, which is also referred to here as the layer width, a layer depth 19a-19e oriented orthogonally to the main extent 18a-18e, and a layer thickness 20a-20e oriented orthogonally to both the layer depth 19a-19e and the main extent 18a-18e. Furthermore, the PTC heating layers 7a-7e are designed as organic PTC heating layers. Accordingly, they contain or are composed of an electrically conductive, organic active material. The active material has a positive temperature coefficient of electrical resistance, which generates a PTC effect. This causes the aforementioned PTC heating layers 7a-7e to conduct current better at low temperatures than at higher temperatures. Furthermore, the electrical resistance of these PTC heating layers 7a-7e increases significantly with temperature within a relatively narrow temperature range, thus exhibiting a current-limiting effect.

Zur elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizschichten 7a-7e besitzt das Heizelement 1 zumindest ein oder mehrere Kontaktelemente 8. Die Kontaktelemente 8 besitzen jeweils eine erste, kammförmige Leiterstruktur 9 und eine zweite, kammförmige Leiterstruktur 11. Die erste Leiterstruktur 9 besitzt zueinander parallele, elektrisch leitfähige Kontaktelektroden 10, die jeweils ein freies Ende besitzen und fußseitig mit einer orthogonal zu den Kontaktelektroden 10 verlaufenden Leiterstruktursammelschiene 10a der erste Leiterstruktur 9 verbunden sind. Die zweite Leiterstruktur 11 ist analog zur ersten Leiterstruktur 9 aufgebaut und besitzt zueinander parallele, elektrisch leitfähige Kontaktelektroden 12, die jeweils ein freies Ende besitzen und fußseitig mit einer orthogonal zu den Kontaktelektroden 12 verlaufenden Leiterstruktursammelschiene 12a der zweiten Leiterstruktur 11 verbunden sind. Die Leiterstrukturen 9, 11 sind derart angeordnet, dass ihre Kontaktelektroden 10, 12 mit gegenseitigem Abstand fingerartig ineinandergreifen.For electrical contacting the PTC heating layers 7a-7e, the heating element 1 has at least one or more contact elements 8. Each contact element 8 has a first, comb-shaped conductor structure 9 and a second, comb-shaped conductor structure 11. The first conductor structure 9 has electrically conductive contact electrodes 10 parallel to each other, each with a free end and connected at its base to a conductor busbar 10a of the first conductor structure 9, which runs orthogonally to the contact electrodes 10. The second conductor structure 11 is constructed analogously to the first conductor structure 9 and has electrically conductive contact electrodes 12 parallel to each other, each with a free end and connected at its base to a conductor busbar 12a of the second conductor structure 11, which runs orthogonally to the contact electrodes 12. The conductor structures 9 and 11 are arranged such that their contact electrodes 10 and 12 interlock like fingers at a distance from each other.

Gemäß 2 ist vorgesehen, dass das zumindest eine Kontaktelement 8 so an der zumindest einen Heizzone 5 angeordnet ist, dass die Kontaktelektroden 10, 12 des Kontaktelements 8 in einer orthogonal zur Aufreihungsrichtung 6 verlaufenden Querrichtung 15, die parallel zur Längsachse 3 ist, ausgerichtet und jeweils mit den PTC-Heizschichten 7a-7e der zumindest einen Heizzone 5 elektrisch leitfähig verbunden sind.According to 2 It is provided that the at least one contact element 8 is arranged on the at least one heating zone 5 such that the contact electrodes 10, 12 of the contact element 8 are aligned in a transverse direction 15 running orthogonally to the alignment direction 6 and parallel to the longitudinal axis 3 and are each electrically conductively connected to the PTC heating layers 7a-7e of the at least one heating zone 5.

In 1 und 2 ist weiterhin ersichtlich, dass das Heizelement 1 zumindest zwei elektrisch leitfähige, an der Großfläche 25 der Trägerfolie 4 angeordnete Sammelleiter 13, 14 besitzt, die zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente 8 dienen. Es ist vorgesehen, dass einem ersten Sammelleiter 13 ein erstes, positives elektrisches Potential 15 und einem zweiten Sammelleiter 14 ein zweites, vom ersten elektrischen Potential 15 verschiedenes, negatives elektrisches Potential 16 zugeordnet ist. Weiterhin ist der erste Sammelleiter 13 mit der ersten Leiterstruktur 9 des zumindest einen Kontaktelements 8 elektrisch leitfähig verbunden, sodass die erste Leiterstruktur 9 des zumindest einen Kontaktelements 8 daher ebenfalls das erste, positive elektrische Potential 15 besitzt. Der zweite Sammelleiter 14 ist mit der zweiten Leiterstruktur 11 des zumindest einen Kontaktelements 8 elektrisch leitfähig verbunden, sodass die zweite Leiterstruktur 11 das zweite negative elektrische Potential 16 besitzt. Dadurch ist ein kostengünstig bereitstellbares, leichtbauendes Heizelement 1 mit einer vergleichsweise hohen Leistungsdichte bereitgestellt. Durch die angegebene elektrische Verschaltung der PTC-Heizschichten 7a-7e mittels des zumindest einen Kontaktelements 8 und den Sammelleitern 13, 14 kann die auf der Trägerfolie 4 zur Verfügung stehende Fläche optimal ausgenutzt und eine Ansteuerbarkeit der PTC-Heizschichten 7a-7e realisiert werden.In 1 and 2 It is further evident that the heating element 1 has at least two electrically conductive busbars 13, 14 arranged on the large area 25 of the carrier film 4, which serve for the electrical contacting of the contact elements 8. It is provided that a first busbar 13 is assigned a first, positive electrical potential 15 and a second busbar 14 is assigned a second, negative electrical potential 16, different from the first electrical potential 15. Furthermore, the first busbar 13 is electrically conductively connected to the first conductor structure 9 of the at least one contact element 8, so that the first conductor structure 9 of the at least one contact element 8 also has the first, positive electrical potential 15. The second busbar 14 is electrically conductively connected to the second conductor structure 11 of the at least one contact element 8, so that the second conductor structure 11 has the second negative electrical potential 16. This allows for a cost-effective, lightweight design. Heating element 1 with a comparatively high power density is provided. The specified electrical connection of the PTC heating layers 7a-7e by means of the at least one contact element 8 and the busbars 13, 14 allows optimal utilization of the area available on the carrier film 4 and enables controllability of the PTC heating layers 7a-7e.

Es ist noch zu erwähnen das bei der in 1 und 2 illustrierten Ausführungsform die Längsachse 3 und die Aufreihungsrichtung 6 der PTC-Heizschichten 7a-7e zueinander orthogonal ausgerichtet sind. Daraus resultiert eine Bauform des Heizelements 1, bei der die an der Trägerfolie 4 angeordneten, streifenförmigen PTC-Heizschichten 7a-7e orthogonal zur Längsachse 3 hintereinander aufgereiht sind.It should also be mentioned that in the 1 and 2 In the illustrated embodiment, the longitudinal axis 3 and the alignment direction 6 of the PTC heating layers 7a-7e are aligned orthogonally to each other. This results in a design of the heating element 1 in which the strip-shaped PTC heating layers 7a-7e arranged on the carrier film 4 are aligned one behind the other orthogonally to the longitudinal axis 3.

Weiterhin werden die PTC-Heizschichten 7a-7e der zumindest einen Heizzone 5 im Betrieb des vorgeschlagenen Heizelements 1, bei dem das Heizelement 1 von einem, sich in einer quer zur Längsachse 3 bzw. parallel zur Aufreihungsrichtung 6 orientierten Strömungsrichtung 22 bewegenden Luftstrom 23 von Luft umspült wird, sequentiell, also der Reihe nach, mit Luft beaufschlagt. Dadurch sieht eine erste, an einer Anströmseite 26 der Trägerfolie 4 angeordnete PTC-Heizschicht 7a der PTC-Heizschichten 7a-7e einen vergleichsweisen kühlen Luftstrom 23, also ein geringeres Temperaturniveau, während die diesbezüglich stromab angeordneten weiteren PTC-Heizschichten 7a-7e der PTC-Heizschichten 7a-7e einen vergleichsweisen warmen Luftstrom 23, also ein höheres Temperaturniveau, erfahren. Hieraus resultieren für die einzelnen PTC-Heizschichten 7a-7e der zumindest einen Heizzone 5 unterschiedliche Temperaturbelastungen und eine inhomogene Temperaturverteilung in dem Heizelement 1.Furthermore, the PTC heating layers 7a-7e of at least one heating zone 5 are sequentially supplied with air during operation of the proposed heating element 1, in which the heating element 1 is surrounded by an airflow 23 moving in a flow direction 22 perpendicular to the longitudinal axis 3 or parallel to the arrangement direction 6. As a result, a first PTC heating layer 7a of the PTC heating layers 7a-7e, located on an upstream side 26 of the carrier film 4, experiences a comparatively cool airflow 23, i.e., a lower temperature level, while the subsequent PTC heating layers 7a-7e, located downstream, experience a comparatively warm airflow 23, i.e., a higher temperature level. This results in different temperature loads for the individual PTC heating layers 7a-7e of at least one heating zone 5 and an inhomogeneous temperature distribution in the heating element 1.

Um eine Homogenisierung der Temperatur in dem Heizelement 1 zu erreichen, ist exemplarisch vorgesehen, dass die Schichtvolumina 17a - 17e der PTC-Heizschichten 7a - 7e der zumindest einen Heizzone 5 entlang der Aufreihungsrichtung 6 variieren. Das Schichtvolumen 17a - 17e einer PTC-Heizschicht 7a - 7e der PTC-Heizschichten 7a - 7e wird dabei durch die quer zur Aufreihungsrichtung 6 orientierte Haupterstreckung 18a - 18e, die orthogonal zur Haupterstreckung 18a - 18e orientierte Schichttiefe 19a - 19e sowie die orthogonal zur Schichttiefe 19a - 19e sowie orthogonal zur Haupterstreckung 18a - 18e orientierte Schichtdicke 20a - 20e definiert. Die Variation der Schichtvolumina 17a - 17e wird konkret dadurch erreicht, dass die Schichtvolumina 17a - 17e der PTC-Heizschichten 7a - 7e der zumindest einen Heizzone 5 entlang der Aufreihungsrichtung 6 zunehmen, indem ausschließlich die Schichttiefen 19a - 19e der PTC-Heizschichten 7a - 7e der zumindest einen Heizzone 5 entlang der Aufreihungsrichtung 6 zunehmen. Das bedeutet, dass die Erstreckung der Schichttiefe 19a der ersten, an der Anströmseite 26 der Trägerfolie 4 angeordneten PTC-Heizschicht 7a der PTC-Heizschichten 7a-7e in der Aufreihungsrichtung 6 kleiner ist als die Schichttiefen 19b-19e der übrigen PTC-Heizschichten 7a-7e der PTC-Heizschichten 7a-7e. Weiterhin ist die Erstreckung der Schichttiefe 19e einer fünften, an einer Abströmseite 27 der Trägerfolie 4 angeordneten PTC-Heizschicht 7e der PTC-Heizschichten 7a-7e in der Aufreihungsrichtung 6 größer als die Schichttiefen 19a-19d der übrigen PTC-Heizschichten 7a-7e der PTC-Heizschichten 7a-7e. Dadurch wird erreicht, dass die PTC-Heizschichten 7a-7e der zumindest einen Heizzone 5 verschiedene Heizleistungen, d.h. verschiedene Wärmeströme, generieren können. Das hat den vorteilhaften Effekt, dass eine inhomogene Temperaturverteilung des Heizelements 1 entlang der Aufreihungsrichtung 6 vermieden oder zumindest verringert wird. Es wird also eine Temperaturhomogenisierung des Heizelements 1 erreicht. Außerdem liegt ein weiterer vorteilhafter Effekt darin, dass bei dem vorgeschlagenen Heizelement 1 eine individuelle Ansteuerung oder individuelle Regelung der einzelnen PTC-Heizschichten 7a-7e der zumindest einen Heizzone 5 nicht notwendig ist, sodass der Aufbau des Heizelements 1 vergleichsweise einfach und kostengünstig ist.To achieve temperature homogenization in the heating element 1, it is provided, by way of example, that the layer volumes 17a - 17e of the PTC heating layers 7a - 7e of at least one heating zone 5 vary along the alignment direction 6. The layer volume 17a - 17e of a PTC heating layer 7a - 7e is defined by the main extent 18a - 18e oriented transversely to the alignment direction 6, the layer depth 19a - 19e oriented orthogonally to the main extent 18a - 18e, and the layer thickness 20a - 20e oriented orthogonally to the layer depth 19a - 19e and orthogonally to the main extent 18a - 18e. The variation of the layer volumes 17a - 17e is achieved specifically by increasing the layer volumes 17a - 17e of the PTC heating layers 7a - 7e of the at least one heating zone 5 along the alignment direction 6, by exclusively increasing the layer depths 19a - 19e of the PTC heating layers 7a - 7e of the at least one heating zone 5 along the alignment direction 6. This means that the extent of the layer depth 19a of the first PTC heating layer 7a of the PTC heating layers 7a-7e, located on the upstream side 26 of the carrier film 4, is smaller in the alignment direction 6 than the layer depths 19b-19e of the remaining PTC heating layers 7a-7e of the PTC heating layers 7a-7e. Furthermore, the extent of the layer depth 19e of a fifth PTC heating layer 7e, arranged on a downstream side 27 of the carrier film 4, is greater in the orientation 6 than the layer depths 19a-19d of the remaining PTC heating layers 7a-7e. This allows the PTC heating layers 7a-7e of at least one heating zone 5 to generate different heating powers, i.e., different heat flows. This has the advantageous effect of avoiding or at least reducing an inhomogeneous temperature distribution of the heating element 1 along the orientation 6. Thus, temperature homogenization of the heating element 1 is achieved. Furthermore, another advantageous effect is that with the proposed heating element 1, individual control or regulation of the individual PTC heating layers 7a-7e of at least one heating zone 5 is not necessary, so that the construction of the heating element 1 is comparatively simple and cost-effective.

In 2 ist außerdem angedeutet, dass an der Trägerfolie 4 zumindest ein Temperatursensor 21 zur Erfassung der Temperatur der Trägerfolie 4 und/oder eines sich in einer quer zur Längsachse 3 orientierten Strömungsrichtung 22 über das Heizelement 1 strömenden Luftstroms 23 von Luft angeordnet ist. Eine platzsparende Anordnung des Temperatursensors 21 auf der Trägerfolie 4 wird dadurch möglich, indem die erste PTC-Heizschicht 7a - 7e der PTC-Heizschichten 7a - 7e und/oder die fünfte PTC-Heizschicht 7a - 7e der PTC-Heizschichten 7a - 7e quer zur Aufreihungsrichtung 6 verkürzt ist, wobei der dadurch freigewordene Bereich auf der Trägerfolie 4 eine in 2 mit gestrichelter Linie angedeutete Bestückungsfläche 28 zur Anordnung des Temperatursensors 21 definiert.In 2 It is also indicated that at least one temperature sensor 21 is arranged on the carrier film 4 for detecting the temperature of the carrier film 4 and/or of an airflow 23 flowing over the heating element 1 in a flow direction 22 oriented transversely to the longitudinal axis 3. A space-saving arrangement of the temperature sensor 21 on the carrier film 4 is made possible by shortening the first PTC heating layer 7a - 7e of the PTC heating layers 7a - 7e and/or the fifth PTC heating layer 7a - 7e of the PTC heating layers 7a - 7e transversely to the arrangement direction 6, whereby the area thereby freed up on the carrier film 4 forms a 2 The mounting area 28, indicated by a dashed line, is defined for the arrangement of the temperature sensor 21.

Die 3 zeigt ein im Gesamten mit der Bezugsziffer 2 bezeichnetes elektrisches Heizsystem, das insbesondere in einer Kabinenheizung oder einer Klimatisierungseinrichtung eines Elektrofahrzeugs zur gezielten Erhitzung von Kabinenluft auf eine von Nutzern des Fahrzeugs vorgegebene Temperatur vorgesehen ist. Das vorgeschlagene elektrische Heizsystem 2 besitzt ein elektrisches Heizelement 1 sowie einen von einem Luftstrom 23 von Luft in einer Strömungsrichtung 22 durchströmten Kanal 24. In den Kanal 24 kann eine hier nicht illustrierte, zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorgesehene Wärmeübertragerrippe eingesetzt sein. Das Heizelement 1 ist an dem Kanal 24 flächig angeordnet, sodass im Betrieb des Heizsystems 2 Wärme, die von dem Heizelement 1 bereitgestellt ist, konduktiv von dem Heizelement 1 auf den Kanal 24 und dann, von dem Kanal 24 auf den durch den Kanal 24 strömenden Luftstrom 23 übertragen wird.The 3 Figure 2 shows an electric heating system, designated in its entirety by reference numeral 2, which is intended, in particular, for use in a cabin heater or air conditioning system of an electric vehicle for the targeted heating of cabin air to a temperature specified by the vehicle's occupants. The proposed electric heating system 2 comprises an electric heating element 1 and a channel 24 through which an airflow 23 flows in a flow direction 22. A component (not illustrated here) designed to improve heat transfer can be inserted into the channel 24. The provided heat exchanger fin is inserted. The heating element 1 is arranged flat against the channel 24, so that during operation of the heating system 2, heat provided by the heating element 1 is conductively transferred from the heating element 1 to the channel 24 and then, from the channel 24, to the airflow 23 flowing through the channel 24.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: Heizelementheating element
22: elektrisches Heizsystemelectric heating system
33: LängsachseLongitudinal axis
44: Trägerfoliecarrier film
55: HeizzoneHeating zone
66: AufreihungsrichtungDirection of aligning
77: PTC-HeizschichtenPTC heating elements
88: KontaktelementContact element
99: Erste LeiterstrukturFirst leadership structure
1010: KontaktelektrodenContact electrodes
1111: zweite Leiterstruktursecond management structure
1212: KontaktelektrodenContact electrodes
1313: erster Sammelleiterfirst collection conductor
1414: zweiter Sammelleitersecond collection conductor
1515: erstes elektrisches Potentialfirst electrical potential
1616: zweites elektrisches Potentialsecond electrical potential
1717: SchichtvolumenLayer volume
1818: HaupterstreckungMain extent
1919: Schichttiefelayer depth
2020: SchichtdickeLayer thickness
2121: Temperatursensortemperature sensor
2222: StrömungsrichtungFlow direction
2323: Luftstromairflow
2424: Kanalchannel
2525: GroßflächeLarge area
2626: AnströmseiteUpstream side
2727: AbströmseiteOutflow side
2828: BestückungsflächeMounting area

Claims

Heating element (1) for an electric heating system (2), - with a carrier film (4), - with at least one heating zone (5) having strip-shaped PTC heating layers (7a - 7e) arranged at intervals across the surface of the carrier film (4) and along an arrangement direction (6), - with at least one contact element (8) arranged on the carrier film (4) for electrically contacting the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5), which has a first, comb-shaped conductor structure (9) with electrically conductive contact electrodes (10) and a second, comb-shaped conductor structure (11) with electrically conductive contact electrodes (12) that interlock like fingers, - with at least two electrically conductive busbars (13, 14) arranged on the carrier film (4), - wherein a first busbar (13) of the at least two busbars (13, 14) is connected to a first electrical potential (15) and the second busbar (14) of the at least two busbars (13, 14) is assigned to a second electrical potential (16) different from the first electrical potential (15), - wherein the first busbar (13) is electrically conductively connected to the first conductor structure (9) of the at least one contact element (8) and wherein the second busbar (14) is electrically conductively connected to the second conductor structure (11) of the at least one contact element (8), - wherein the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) each have a layer volume (17a - 17e), - wherein the layer volumes (17a - 17e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) vary along the alignment direction (6).

Heating element (1) after Claim 1 , characterized in that - the layer volumes (17a - 17e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) increase along the alignment direction (6), or - the layer volumes (17a - 17e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) decrease along the alignment direction (6).

Heating element (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that - the PTC heating layers (7a - 7e) each have a main extent (18a - 18e) oriented transversely to the alignment direction (6), a layer depth (19a - 19e) oriented orthogonally to the main extent (18a - 18e) and a layer thickness (20a - 20e) oriented orthogonally to the layer depth (19a - 19e) and orthogonally to the main extent (18a - 18e).

Heating element (1) after Claim 3 , characterized in that - the layer depths (19a - 19e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) decrease along the alignment direction (6), or - the layer depths (19a - 19e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of at least one heating zone (5) increase along the alignment direction (6).

Heating element (1) after Claim 3 or 4 , characterized in that - the layer thicknesses (20a - 20e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) decrease along the alignment direction (6), or - the layer thicknesses (20a - 20e) of the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) increase along the alignment direction (6).

Heating element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) are manufactured in a screen printing process.

Heating element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the PTC heating layers (7a - 7e) of the at least one heating zone (5) are designed as organic PTC heating layers.

Heating element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the carrier film (4) extends along a longitudinal axis (3), - wherein the longitudinal axis (3) and the alignment direction (6) are aligned orthogonally or parallel to each other.

Heating element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - at least one temperature sensor (21) is arranged on the carrier film (4) for detecting the temperature of the carrier film (4) and/or an airflow (23) of air flowing over the heating element (1) in a flow direction (22) oriented transversely to the longitudinal axis (3).

An electric heating system (2), in particular as a component of a cabin heater or as a component of an air conditioning system of an electric vehicle, comprising: - at least one heating element (1) according to one of the preceding claims and a channel (24) through which an airflow (23) flows, - wherein the at least one heating element (1) is arranged planarly on the channel (24) such that, during operation of the heating system (2), heat provided by the at least one heating element (1) is transferred from the at least one heating element (1) to the airflow (23) flowing through the channel (24), and - optionally with a further channel through which the airflow (23) flows, wherein the at least one heating element (1) is further arranged planarly on the further channel such that the at least one heating element (1) is sandwiched between the channel (24) and the further channel and, during operation of the heating system (2), heat provided by the at least one heating element (1) is transferred from the at least one heating element (1) to the airflow (23) flowing through the channel (24). (1) is transferred to the airflow (23) flowing through the further channel.