加热单元和包括这种加热单元的PTC加热装置的制作方法

加热单元和包括这种加热单元的ptc加热装置
技术领域
1.本发明涉及一种具有由电绝缘材料制成的框架的加热单元。所述加热单元还具有ptc元件，该ptc元件被接纳在框架的框架开口中。还设有在彼此之间容纳ptc元件并连接到框架的绝缘层，并且每个绝缘层至少部分地覆盖暴露在框架开口中的ptc元件的主侧表面和限定该框架开口的框架表面。


背景技术：

2.这种加热单元通常被推入加热肋的接纳室中。该加热肋可以被构造为分隔壁中的凸起的形式，例如在ep 2 440 009 a1中所描述的那样。然而，容纳加热单元的外壳也可以由相对较薄的片体金属材料制成，例如呈套体形式的片体金属材料，该套体在一侧封闭并且容纳加热单元并且相对于待加热的介质保护和密封加热单元，分别参见ep 3 273 177 a1或de 20 2019 005 220 u1。
3.根据本发明的ptc元件是陶瓷半导体元件，一旦达到珀耳帖温度(peltier temperature)，该陶瓷半导体元件的电阻变得很大，以至于ptc元件变得实际上对功率电流是不可通过的，并因此不再加热。因此，ptc元件已广泛用作汽车工程中的辅助加热器。所述自调节特性防止使用上述加热单元生产的电加热装置的过热和烧毁。
4.为了使陶瓷ptc元件在加热器中尽可能好地工作，必须确保各种功能。首先，ptc元件必须处于良好的电接触中并且最好没有接触电阻。ptc元件必须以极好的方式热耦接到加热单元的外表面。在从ptc元件到加热单元的外表面的热传导路径中增加的热阻降低了ptc元件的效率程度。此外，如今需要良好的电绝缘性，尤其是在电动汽车(electromobility)中使用加热单元时。加热单元的散热的外表面必须是无电势的，其中必须确保这种电绝缘不会不符合机动车辆的要求，在机动车辆中，强烈的振动和温度波动会在部件的相当长的使用寿命期间产生影响。上述类型的加热单元越来越多地用于电动汽车(electric vehicles)，其中，加热单元通过驾驶(drive)的电源电流运行。因此，良好的电绝缘尤为重要。
5.有鉴于此，过去对此提出了各种解决方案。提出了通过金属丝网或类似物实现电接触，金属丝网被高导热但电绝缘的物质所穿透，其中，在外侧额外提供覆盖ptc元件的绝缘膜，参见de 10 2017 223 785 a1。这是为了在相对于外部的良好的电绝缘的情况下确保良好的散热。还提出了ptc元件不应通过其主侧表面来通电，而应是通过周向边缘来通电。
6.ptc元件通常是长方体形状并且更多地被配置为具有板形状。与主侧表面的尺寸相比，周向边缘则具有较小的高度。主侧表面的表面通常比将两个主侧表面彼此连接的每个单独的外侧面大至少5倍。
7.在任何情况下，热量通常是通过主侧表面散发的。在通用加热单元中，主侧表面也暴露在框架开口中。框架通常具有比ptc元件更小的厚度，使得直接在外侧抵靠ptc元件的绝缘层可以在整个表面上抵靠框架。
8.本发明试图说明一种开头提到的类型的加热单元，该加热单元以改进的方式满足
对电接触、与外部的电绝缘和良好的散热的组合要求。此外，加热单元的制造要经济。本发明还试图说明一种相应地改进的ptc加热装置。


技术实现要素：

9.为了实现这个目的，本发明提出一种加热单元，所述加热单元具有由电绝缘材料制成的框架、容纳在所述框架的框架开口中的ptc元件、和绝缘层，所述绝缘层在彼此之间容纳所述ptc元件，所述绝缘层连接到所述框架，并且通过所述绝缘层，所述ptc元件的暴露在所述框架开口中的相应的主侧表面和限定所述框架开口的框架表面至少部分地被覆盖。其特征在于，用于绝缘层的抵靠突起突出超过框架表面，并且完全地或部分地在彼此之间包围绝缘层的周向环绕边缘。
10.框架表面是定义框架开口的表面。框架表面通常是平坦的。框架表面通常平行于ptc元件的主侧表面。框架表面限定边缘，框架开口设置在所述边缘后。
11.绝缘层平行于框架表面延伸。绝缘层通常在一侧直接抵靠框架表面，而由于与框架的厚度相比ptc元件的厚度更大，因此绝缘层可以在相对侧与框架表面稍微间隔开。将ptc元件密封在框架开口内对于本发明来说不是关键的。这是因为，根据本发明的用于形成ptc加热装置的加热单元被假设为作为预组装单元被引入到通常包围加热单元并且仅在一侧敞开的外壳中，在所述一侧上，用于ptc元件的电连接的连接凸耳突出超过外壳。该外壳可以由片体金属材料制成，该外壳构造为圆柱体或套体并在两侧封闭，其中，连接凸耳在一侧电绝缘并以相对于外壳的容纳加热单元的内部密封的方式被接纳。外壳还可以由加热肋形成，加热肋具有相比之下较厚的壁并且从分隔壁突出，该分隔壁将用于将连接室和加热室分开，所述连接室用于将连接凸耳电连接到电源电流，外壳作为加热肋突出到所述加热室中(参见ep 2 440 004 a1)。
12.根据本发明，用于绝缘层的抵靠突起超出框架表面。这些抵靠突起完全地或部分地包围绝缘层的周向环绕的边缘。抵靠突起通常设为离散的抵靠突起，所述离散的抵靠突起从框架表面彼此间隔开地突出。抵靠突起用于将绝缘层定位在框架表面上，使得绝缘层尽可能完全地覆盖框架开口，并且从而覆盖部分框架表面，并且绝缘层沿各个方向覆盖并突出超过ptc元件的主侧表面。与ptc元件在热量传递方向上、即在与ptc元件的主侧表面正交的方向上的直接接触然后是不可能的。ptc元件在周向方向上被框架和两个绝缘层以完全电绝缘的方式封装。绝缘层随后抵靠框架并连接至框架。抵靠突起用于相对于框架开口定位绝缘层。
13.抵靠突起本身可以将相关联的绝缘层附接到框架。然而，根据本发明的概念，该附接仅需要是暂时的附接。抵靠突起本身在与其相关联的绝缘层的边缘的纵向方向上具有延伸长度，该延伸长度通常对应于不超过绝缘层的边缘部分的边缘长度的10％。为了实施本发明，有时仅在绝缘层的两个成对角的角部处设置抵靠突起就足够了。两个抵靠突起通常分别设置在一个或每个角部处，并且在抵靠突起之间包围角部并且相对于框架定位绝缘层。
14.绝缘层可以由现有技术中描述的任意随机的绝缘层形成。绝缘层尤其可以由陶瓷板形成或包括陶瓷板。
15.由于ptc元件的长方体构造，可建议将框架选择为矩形框架，并将绝缘层成形为矩
形。然而，其他几何构造也是可以想到的。
16.根据本发明的优选改进方案，抵靠突起不仅用于组装期间的定位，并且用于在将绝缘层组装到框架上之后保持绝缘层。抵靠突起在绝缘层的角部的区域内在彼此之间形成粘合室，该粘合室在内侧由绝缘层限定并且在外侧由连接区段限定，该连接区段在角对角布置的两个抵靠突起之间延伸并且通常连接到抵靠突起。在该优选实施例中，连接区段和抵靠突起通过注塑成型的方式一致地设置在框架上。连接区段固定到框架表面上。粘合室于是也由框架表面和由两个抵靠突起和设置在其间的连接区段限定。将绝缘层连接到框架的粘合剂容纳在粘合室中。该粘合剂优选地是能够通过紫外线固化的粘合剂，并且在绝缘层抵靠框架之前或之后被引入到粘合室中，并且此后立即暴露于紫外线辐射，使得该粘合剂快速地在数秒内固化。这确保绝缘层充分地附接到框架。两个绝缘层优选以这种方式连接到框架。在粘合之后，能够被加装到外壳中的加热单元被作为结构单元制造出来。
17.在布置到外壳中之后，每个绝缘层通过其外表面以平面的方式抵靠在外壳的内表面上。该内表面通常是平面的而不是廓形的。至少在安装到外壳中之后，抵靠突起或连接区段在厚度方向上不突出超过绝缘层。为此目的，连接区段和/或抵靠突起从一开始就被制成为具有某尺寸，该尺寸至少不以大于绝缘层的厚度的高度突出超出框架表面。
18.从对本发明及其优选的改进方案的以上描述中可以看出，抵靠突起被构造成适于定位绝缘层和/或将绝缘层保持在框架上。绝缘层可以通过连接区段直接附接到框架上，例如，通过夹紧或力配合连接(force-fit connection)，或通过在连接区段附近或直接在连接区段上涂敷粘合剂。前面提到的粘合室考虑了将粘合剂涂敷到框架表面时的公差。由于毛细作用，以液体形式涂敷的粘合剂通常在形成于绝缘层和框架表面和/或抵靠突起之一之间的间隙之间流动。以这种方式实现绝缘层与框架的连接和相应的正材料配合附接(positive substance-fit attachment)。
19.根据本发明的另一优选实施例，连接凸耳以本身已知的方式突出超过框架。连接凸耳优选在同一侧突出超过框架。这些连接凸耳在相反地设置的侧部上抵靠ptc元件，以用于为ptc元件通电。本发明假定连接凸耳与ptc元件的表面直接接触。ptc元件包括施加到陶瓷材料上的金属化，并且所述金属化适用于将以相当点状的方式施加到ptc元件的主侧表面上的电压分配在整个主侧表面上，使得电流可以流过ptc元件的整个厚度并加热ptc元件。
20.在当前讨论的构造中，绝缘层优选地构造为具有连接凸耳接纳室。该连接凸耳接纳室相对于绝缘层的抵靠表面凹入，绝缘层通过该抵靠表面以平面的方式抵靠在ptc元件上。连接凸耳接纳室相应地构造成接纳连接凸耳。因此，或者是连接凸耳以导电的方式抵靠ptc元件的基本平坦的表面，或者是绝缘层抵靠ptc元件的基本平坦的表面。在任何情况下，绝缘层的主要表面区域直接抵靠ptc元件，因此在那里产生的热量可以通过绝缘层到达加热单元的外侧而无需任何进一步的中间层，该外侧由绝缘层的相应外表面形成在主侧表面上。绝缘层的该外表面优选地也代表加热单元的平行于ptc元件的主侧表面延伸的外表面。
21.连接凸耳优选地由形成至少一个弹簧舌的一件片体金属形成，该弹簧舌一体地形成在连接凸耳上并且抵靠受偏压的ptc元件。该弹簧偏压由连接凸耳对绝缘层的抵靠被保持和支撑在那里。连接凸耳也可以仅在加热单元已经安装到加热装置的外壳中之后被引入到连接凸耳接纳室中。然而，通过将绝缘层足够牢固地附接到框架，连接凸耳也可以在加热
单元安装到外壳中之前连接到ptc元件。
22.根据一种优选的改进方案，连接凸耳由一件片体金属形成，该片体金属具有至少一个一体成型在片体金属上的闩锁舌。该闩锁舌被接纳在由框架形成的闩锁接纳部中。由于闩锁舌和闩锁接纳部的正配合连接(positive-fit connection)，连接凸耳在被引入到框架之后以正配合的方式固定到框架。
23.根据其独立方面，本发明提出一种带有外壳的ptc加热装置，该外壳优选地由片体金属材料形成，其中，外壳几乎完全围绕上述的ptc加热单元。加热单元的绝缘层的每个都以平面的方式抵靠外壳的内表面。如已经提到的，在安装之后，抵接突起在任何情况下都不会在其厚度方向上突出超过相关联的绝缘层。相应地，绝缘层各自通过其外表面以平面的方式抵靠外壳的内表面。仅连接凸耳在外侧突出超过外壳，使得设有连接凸耳的加热单元以插接(plug-in)方式接纳在外壳中。连接凸耳在一侧上突出超过外壳，并在相反地设置的两侧上以导电的方式抵靠ptc元件，以便以不同的极性对ptc元件通电。
附图说明
24.本发明的进一步的细节和优点将从以下结合附图对实施例的描述中变得显而易见，其中：
25.图1是加热单元实施例的分解图。
26.图2示出根据图1的实施例在组装所有部件之后的俯视图。
27.图3示出根据图2的图示的角部的放大细节；
28.图4示出加热单元的上侧俯视图。和
29.图5示出沿图2的线v-v的截面图。
具体实施方式
30.图1示出了加热单元的实施例的部件的透视分解图，所述加热单元具有框架2，框架2包括相对地设置的框架表面4，该框架表面限定框架开口6的边缘并且每个框架表面包括四个彼此正交地延伸的表面区段。抵靠突起8在角部的区域中从框架表面4突出。为每个角部设置两个这样的抵靠突起8。连接区段10在每个角部中在这些抵靠突起8之间延伸并且桥接框架2的角部并直接邻接所述抵靠突起8。粘合室12在每个角部处形成为在每个角部的成对设置的抵靠突起8之间并且外侧由连接区段10包围。
31.图1中的附图标记14表示装配到框架开口6中并相应地可以布置在框架表面4之间的ptc元件。附图标记16表示绝缘层，绝缘层在外侧形成加热单元的平坦的外表面并且在内侧同样具有用于与ptc元件14直接接触的平坦的抵靠表面，然而，该抵靠表面在上部区域被连接凸耳接纳室18中断，该连接凸耳接纳室18在朝向外表面的方向上呈阶梯状并且形成为适于接纳由附图标记20表示的连接凸耳中的一个。
32.这些连接凸耳20目前各自具有两个弹簧舌22，所述两个弹簧舌通过冲压和折弯从形成连接凸耳20的片体金属材料的平面在朝向ptc元件14的方向上突出并且可以以弹性的方式抵靠ptc元件14。通过冲压和折弯形成的闩锁舌24从连接凸耳的片体金属材料在相同的方向上突出。在安装好的位置中，凸条26在上侧抵靠接纳盒28，该接纳盒一体地形成在框架2上并形成用于接纳闩锁舌24的闩锁开口30。每个接纳盒28具有纵向狭槽32，该纵向狭槽
适合于接纳连接凸耳20，并且在组装好的状态下与连接凸耳接纳室18对齐(参见图4)。
33.为了组装加热单元，首先将绝缘层16之一抵靠在先前注塑成型的框架2的框架表面4上。然后将uv固化粘合剂引入到每个粘合室12中。在所示的实施例中，该粘合剂结合在图3中由附图标记34表示的粘合表面的区域中。实施例中的四个角部中的每一个角部在每个框架表面4上分别设置有粘合室12。然而，仅在成对角地相对地设置的角部处形成具有相关联的连接区段10的突起8以及相应的粘合室12也被认为足以将绝缘层16附接到框架2。如图2所示，绝缘层16然后设置成完全在ptc元件的主侧表面上并且至少部分地覆盖框架表面4。
34.根据图5的截面图示出，抵靠突起8和连接区段10在厚度方向上没有突出超过绝缘层16。加热单元的平行于ptc元件14的主侧表面延伸的外表面相应地由绝缘层16的外表面形成。
35.绝缘层16已经在一侧被施加并连接到框架2之后，ptc元件14被引入当前在下侧封闭的框架开口6中。另一绝缘层16然后，如上所述地那样，被从相反地设置的一侧施加并粘合到框架2上。
36.此后，连接凸耳20通常通过纵向狭槽32被引入与连接凸耳相关联的连接凸耳接纳室18中。以这种方式预组装的加热单元可以作为一个整体部件处理并被引入到ptc加热装置的外壳中。该外壳可以是片体金属套体，当引入ptc加热单元时，该片体金属套体在经受弹性膨胀的情况下抵靠加热单元的外表面，从而产生到外壳的外部的良好的热传递。替代地，所述外壳也可以在加热单元被引入之后被变形，使得外壳也在没有气隙和/或粘合剂的情况下在ptc元件14的主延伸方向上抵靠加热单元的外表面。
37.如果需要，加热单元也可以插入到楔形元件中，该楔形元件可以插入到呈加热肋形式的外壳中并且被支撑在那里，使得从加热单元可以良好地散热到加热室中。
38.图中所示的ptc加热单元的示例在该外壳内可以暴露于外壳中，以用于加热流体。这种由长形的管状片体金属材料制成的外壳例如可以从ep 3 273 177 a1中获得。根据本发明的加热单元也可以用在以这种方式制造的电加热装置中。
39.如从ep 2 440 004 a1已知的那样，加热单元也可以被引入到封套中。这种封套从将连接室与加热室分开的分隔壁中突出。封套通常形成为楔形，并且用于加热单元的接纳部还具有彼此成一定角度延伸的外壁。前述加热单元例如可以被引入到形成楔形表面的壳体中，该楔形表面在加热单元被引入之后与壳体一起以导热的方式直接接触接纳部的内表面。最后，还可以用根据ep 3 101 364 a1的由绝缘塑料材料制成的框架围绕前述加热单元，该框架自身形成上述分隔壁或插接连接至该分隔壁。加热单元也可以被接收在下侧封闭的套状外壳中，其中外壳的端部(连接凸耳伸出该端部)设有密封圈，该密封圈以插接方式密封在插接接纳部中，该插接接纳部凹入在分隔壁中，如在de 20 2019 005 220中描述的。
40.附图标记列表
41.2 框架
42.4 框架表面
43.6 框架开口
44.8 抵靠突起
45.10 连接区段
46.12 粘合室
47.14 ptc元件
48.16 绝缘层
49.18 连接凸耳接纳室
50.20 连接凸耳
51.22 弹簧舌
52.24 闩锁舌
53.26 凸条
54.28 接纳盒
55.30 闩锁开口
56.32 纵向狭槽
57.34 粘合表面