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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abführung von in einem PTC-Element
entstehender Wärme.
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Bei
einem PTC-Element handelt es sich hierbei um ein Widerstandselement
mit positivem Temperaturkoeffizienten. Beispielsweise kann es sich
bei einem PTC-Element um einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizient
handeln.
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PTC-Elemente
werden z. B. bei elektrischen oder elektronischen Steuerungen in
Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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PTC-Elemente
entwickeln im Betrieb Joule'sche
Wärme,
die nach außen
abgeführt
werden muss, um bei längerem
Betrieb eine störende
Erwärmung
des PTC-Elements zu verhindern.
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Hierzu
ist es aus der
JP 62-163
902 U bekannt, ein PTC-Element
zwischen zwei Platten als Wärmesenken
anzuordnen, welche die vom PTC-Element ausgehende Wärme aufnehmen
und an die Umgebung abgeben.
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Aus
der
DE 42 21 309 A1 ist
ein PTC-Element bekannt, das ein elektrisch leitfähiges, thermoplastisches
Polymer mit Ruß als
leitfähigem
Füllstoff enthält.
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Aus
der
DE 38 36 002 A1 ist
es bekannt, eine gekapselte Halbleitereinrichtung auf einer Grundplatte
zu montieren und dabei eine weiche verformbare Zwischenschicht beispielsweise
aus einem Silikonmaterial vorzusehen.
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In
der
DE 94 13 550 U1 ist
ein Halbleiterelement beschrieben, das mittels einer Vergussmasse gekapselt
ist, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit und
einen hohen elektrischen Widerstand aufweist.
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Die
DE 30 32 744 A1 offenbart
einen Transistor, welcher auf einer oberen Fläche eines Substrats angeordnet
ist. Dessen untere Fläche
ist mit einem wärmempfangenden
Körper
aus Aluminium verbunden. Das Substrat besteht aus wärmeleitendem,
aber elektrisch isolierendem Material und umfasst eine wärmeleitfähige Metallplatte
und einen darauf gebildeten Polymerfilm.
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Die
DE 195 49 354 A1 offenbart
ein Verfahren zum Verbinden einer Leiterplatte mit wenigstens einer
Metallplatte mittels eines druckempfindlichen Klebers, der eine
Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit bildet.
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Einrichtungen
zum Abführen
von Wärme
von elektrischen Bauelementen und Schaltungsanordnungen sind auch
bekannt aus
JP 4-078
104 B2 ,
JP 61-234
502 A und
JP
2-041 161 A .
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
zur Abführung
von in einem PTC-Element entstehender Wärme zu schaffen, bei welcher
eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr
in konstruktiv einfacher und raumsparender Weise erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Anordnung gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung
sowie hierfür
vorzugsweise in Betracht kommende Ausführungsformen von PTC-Elementen
sind im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine
Ausführungsform
eines PTC-Elements für
eine erfindungsgemäße Anordnung
in perspektivischer Darstellung;
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2A eine
weitere Ausführungsform
eines PTC-Elements für
eine erfindungsgemäße Anordnung
in perspektivischer Darstellung;
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2B Teile
des Gegenstandes von 2A im Schnitt; und
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung
in perspektivischer Darstellung.
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In
der nachfolgenden Beschreibung dieser Gegenstände bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder annährend
gleiche Komponenten.
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Während 1 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines PTC-Elements 1 mit
einem PTC-Körper 2,
Anschluss-Elektroden 3 und einer Umhüllung 4 zeigt, umfasst
das PTC-Element 20 gemäß 2A und 2B eine
linke Elektrode 21 und eine rechte Elektrode 22,
die an der linken bzw. rechten Fläche des PTC-Element 20 vorhanden
sind.
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Das
PTC-Element 20 umfasst einen Körper 20a, der im wesentlichen
die Form eines rechteckigen Parallelepipeds aufweist, eine aus einer
sich bei Wärmeeinwirkung
ausdehnenden bzw. zusammenziehenden, wärmeleitenden und klebefähigen Verbindung
aus einem Polymer oder mehreren Polymeren und einem oder mehreren
Zusatzstoffen zur Erzielung der Klebewirkung, und ein System aus
elektrisch leitfähigen
Widerstandsgeweben oder Widerstandsteilchen 20b, die in
dem Körper 20a suspendiert
sind. Dieser wird nachstehend als leitfähige Polymerverbindung bezeichnet.
Das PTC-Element mit seinem positiven Temperaturkoeffizienten erzeugt beim
Hindurchleiten von Gleichstrom Wärme.
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Die
linke und rechte Elektrode 21 bzw. 22 umfassen:
Eine linke bzw. rechte, wärmeleitende
Metallelektrodenplatte 21a bzw. 22a, die durch
Klebekräfte,
welche auf die gesamten Bereiche ihrer Innenoberfläche wirken,
mit der linken bzw. rechten Seite des PTC-Elements 20 verbunden
sind (genauer gesagt mit der leitfähigen Polymerverbindung 20a);
sowie Leiter (in Form gerader Anschlussklemmen 21b und 22b in 2A,
oder in Form von Drahtleitungen 3 in 1),
die beispielsweise durch Löten mit
dem PTC-Element verbunden sind, derart, dass sie versetzt am unteren
vorderen und rechten Ende (2A) angebracht
sind, oder an frei wählbaren
Orten an Außenflächen der
linken bzw. rechten Elektrodenplatte 21a bzw. 22a.
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Das
PTC-Element 20 mit den Elektrodenplatten 21a und 22a bildet
einen den elektrischen Strom leitenden, sich bei Wärmeeinwirkung
ausdehnenden bzw. danach wieder zusammenziehenden Wärmequellen-Festkörper.
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Wie
aus 1 hervorgeht, weist das PTC-Element 1 einen
anhaftenden elastischen Körper 4 (oder
eine entsprechende Schicht oder einen entsprechenden Film) auf,
der die gesamte Außenfläche des
Wärmequellenkörpers (20+21a+22a)
umhüllend
umgibt.
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Wie
aus 2B hervorgeht, weist der isolierende Körper 4 auf:
Einen sich an einen Gegenstand anpassenden Körper 40 aus einer
elastischen, insgesamt oder zumindest teilweise elektrisch nicht-leitenden
(also dielektrischen), körperlich
anhaftenden, wärmeleitenden
und insgesamt oder schichtweise homogenen Verbindung aus einem Silikon-Gel
und einer Grundmenge oder Grundmengen eines oder mehrerer Zusatzstoffe
(beispielsweise Silikat oder Aluminiumoxid), zur Erzielung der Wärmeleitung
und der Haftung. Es bildet sich ein insgesamt oder schichtweise
homogenes System aus einer vorbestimmten Zusatzmenge gut wärmeleitfähiger kleiner synthetischer
oder kristalliner dielektrischer Teilchen 41 (oder entsprechender
Stücke
oder Gewebe), die in dem Verbundkörper 40 suspendiert
sind. Die suspendierten Teilchen 41 (oder Stücke oder
Gewebe) können
gleich dem Zusatzstoff oder den Zusatzstoffen sein, oder sich hiervon
unterscheiden. Der Verbundkörper 40 kann
eine höhere
Wärmeleitfähigkeit auf
als Luft aufweisen, insgesamt oder schichtweise. Das suspendierte
System 41 kann eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
aufweisen als der Verbundkörper 40, insgesamt
oder stückweise.
Daher hat der elastische Körper 4 ein
höheres
Wärmeleitvermögen als
Luft. Die Zusatzstoffe in der Verbindung aus Silikon-Gel im elastischen
Körper 40,
die beispielsweise zur Erzielung der Haftung und der Wärmeleitung
dienen, können
bezüglich
der Menge, der Fläche
und/oder schichtweise so gewählt
werden, dass die gestalterische Freiheit nicht eingeschränkt wird.
Das suspendierte System 41 kann für allgemeine Einsatzzwecke ggf.
weggelassen werden, bei welchen erwartet wird, dass der elastische
Körper 4 ein
erheblich besseres Wärmeleitvermögen aufweist
als Luft. Der elastische Körper 4 kann
auf den Wärmequellenkörper (20+21a+22a)
aufgebracht werden durch Eintauchen, Ausformen, Aufsprühen oder
andere verwendbare Vorgehensweisen zur Beschichtung, oder auch durch
ein einfaches Aufbringen.
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Die
Außenseite 4a des
gesamten elastischen Körpers 4 weist
im wesentlichen die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf.
Die Innenseite 4b des gesamten elastischen Körpers 4 umschließt die gesamte
Außenoberfläche des
Wärmequellenkörpers und
haftet an dieser an. In einer bestimmten Richtung (beispielsweise
einer der zueinander orthogonalen Richtungen X, Y oder Z in einem
zugehörigen
Koordinatensystem) weist der elastische Körper 4 eine größere Dicke
als eine festgelegte Dicke t auf (vorzugsweise ≥ 0,5 mm), zwischen der Innenseite 4b und
der Außenseite 4a,
wobei die Dicke t so festgelegt wird, dass eine erforderliche elastische
Verformung zur Anpassung an jede Einwirkungsseite des Körpers 4 ermöglicht wird,
damit eine maximale lineare Expansion und Kontraktion erzielt wird,
ohne dass eine zu starke Gegenkraft in der jeweiligen Richtung auftritt,
unter Berücksichtigung
der Form und der Abmessungen der Elektroden 21 und 22, welche
größer oder
kleiner als das eigentliche PTC-Element 20 ausgebildet
sein können.
Diese Dicke t dient dazu, den Einsatz in einem begrenzten Raum (beispielsweise
gemäß 3)
zu ermöglichen,
und kann für
allgemeine Einsatzzwecke frei gewählt werden.
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Der
elastische Körper 4 kann
eine Umhüllungsform
aufweisen, die an einem Ende oder an beiden Enden geöffnet ist,
zur Einführung
des Wärmequellenkörpers, sowie
an einigen Orten zur Verbindung mit den Leitern, und kann zusätzlich einen
oder mehrere Deckel zum Verschließen der Öffnung aufweisen.
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Der
elastische Körper 4 kann
mehrere unterteilte oder abtrennbare Teile aufweisen, die ring-
oder plattenförmig
sind. Eine Platte oder mehrere Platten des elastischen Körpers (4)
können
einfach auf die Anbringungsseite des Wärmequellenkörpers aufgebracht sein. Jeder
derartige elastische Körper,
der bereits angebracht ist, oder als in Einzelstücke aufgeteilte Platte ausgebildet
ist, die durch eine Schere abgetrennt werden können, kann in Form eines elastischen
Körpers 4 bereit
gestellt werden Der elastische Körper 4 kann
eine weniger stark anhaftende oder einfach nur unter Reibungseinfluss
befestigte Innenflächenschicht
aufweisen, um den Wärmesenkenkörper zu haltern,
sowie eine elastische Schicht innerhalb der Fläche mit einer nominellen Dicke
t, und eine stark anhaftende Außenflächenschicht
oder einen entsprechenden Film, der ohne Ausbildung von Zwischenräumen an
dem Wärmesenkenkörper anhaftet.
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Bei
einer vorgefertigten Form des PTC-Elements 1 oder in verarbeiteter
Form kann der elastische Körper 4 selbstklebend
ausgebildet sein oder eine Klebeschicht oder einen Klebefilm aufweisen, der
einfach auf einen festgelegten oder möglichen Bereich des Wärmesenkenkörpers aufgebracht
ist, oder kann eine nichtklebende Kante oder einen nichtklebenden
Oberflächenbereich
aufweisen, die jeweils für
einen Einsatzzweck bestimmt sind, in welchem bei Verarbeitung in
der Atmosphäre
ein entsprechendes Reinigungsmittel erforderlich sein kann.
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Der
elastische Körper 4 kann
ein klebfähiges Elastomer
wie beispielsweise einen Kleber aus Gummi oder Polymer aufweisen.
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3 zeigt
eine Anordnung mit zwei PTC-Elementen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Bei
dieser Anordnung wird ein Paar aus einem linken und einem rechten,
voneinander beabstandeten ausgerichteten PTC-Elementen 1 durch deren
Leitungsanschlussklemmen 3 gehaltert, wobei diese an ihren
unteren Enden durch ein Lot 8 mit einer Leiterplatte 7 mit
einer gedruckten Schaltung verbunden sind. Bei dem linken und rechten
PTC-Element 1 haltern elastische Körper 4 zwei Wärmesenken
bildende Platten 5, eine vorn und eine hinten in Horizontalrichtung.
Diese Platten 5 sind durch Anhaften an einer vorderen bzw. hinteren
Anbringungsfläche
der elastischen Körper 4 angebracht,
und sind aneinander durch eine Maschinenschraube 6 befestigt,
die durch die Platten 5 und zwischen den PTC-Elementen 1 hindurchgeht,
so dass die Platten 5 voneinander um eine Entfernung beabstandet
sind, die geringfügig
kleiner ist als die normale Dicke jedes PTC-Elements 1 bei
Raumtemperatur. Das linke und das rechte PTC-Element 1 können seitlich
aneinander befestigt sein, und die Platten 5 können durch eine
linke und eine rechte Schraube befestigt sein, die voneinander um
eine größere Entfernung
beabstandet sind, als der zweifachen Abmessung jedes PTC-Elements 1 in
Richtung ihrer Breite entspricht.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform kann
die Wärmeausdehnung
in Richtung der Dicke eines Wärmequellenkörpers jedes
PTC-Elements 1 so aufgenommen werden, dass sich der vordere
und der hintere Abschnitt eines elastischen Körpers 4 zwischen dem
Wärmequellenkörper und
den Wärmesenkenplatten 5 elastisch
angepasst verformt und in Querrichtung ausweicht, wodurch die Platten 5 in vollständige Berührung ohne
Zwischenräume
mit jedem PTC-Element 1 gebracht
werden können,
was eine Verbesserung des Wärmeleitvermögens ermöglicht,
so dass sich ein erhöhter
Grad an Wärmeabführung ergibt.
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Die
voranstehend beschriebenen Ausführungsformen
können
frei wählbar
miteinander kombiniert werden.
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Bei
den geschilderten Ausführungsformen kann
die Anordnung zur Wärmeabführung von
einem PTC-Element 1 bzw. 20, welches zwischen
zwei Wärme
aufnehmenden Platten 5 vorgesehen ist, die als Wärmesenkenkörper ausgebildet
sind, so getroffen sein, dass Oberflächen des Wärmequellenkörpers des PTC- Elements 1 mit
einem wärmeleitenden, anhaftenden
elastischen Mittel beschichtet sind, und die Platten 5 mit
dem PTC-Element verklebt sind.
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Da
das elastische Beschichtungsmittel eine Klebkraft aufweist, können die
Platten 5 an der Wärmequellenseite
angebracht werden. Da das wärmeleitende
Mittel in Kontakt ohne Ausbildung von Zwischenräumen sowohl mit dem Wärmequellenkörper als
auch dem Wärmesenkenkörper steht,
wird Wärme
wirksam von der Wärmequelle
zur Wärmesenke geleitet,
wodurch eine verbesserte Wärmeabführung erzielt
wird.
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Es
sind zwei Platten 5 an beiden Seiten, jeweils eine an einer
Seite, eines Wärmequellenkörpers eines
PTC-Elements 1 angebracht, welches mit einem wärmeleitenden,
elastischen Klebemittel beschichtet ist, und werden gegenseitig
durch eine Schraube 6 befestigt.
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Da
das elastische Mittel eine vom Wärmequellenkörper des
PTC-Elements ausgehende Wärme
mit absorbiert, kann der Wärmequellenkörper, der
mit dem Mittel beschichtet ist, ohne Ausbildung von Zwischenräumen zwischen
die als Wärmesenken
wirkende Platten 5 eingebracht werden.