Positive Temperature Coefficient (PTC)-Heizelemente temperieren auf engstem Raum selbst regelnd Gasgemische, Flüssigkeiten oder Feststoffe. Sie sind extrem prozesssicher, überhitzen nicht und brennen nicht durch: Geht es um schwierige Einsatzgebiete wie im Automobilbereich, sind die robusten Allrounder erste Wahl.
Das Anwendungsspektrum von PTC-Heizelementen zur Zubeheizung in Kraftfahrzeugen ist breit gefächert. Es reicht von Filtern und Thermostaten über Lambdasonden und Glühstiftkerzen für Dieselmotoren bis zu Lufterhitzern. Erwärmt werden dabei in erster Linie Flüssigkeiten von der harnstoffwässrigen Lösung im Kraftstofffilter bei Dieselfahrzeugen (SCR-Technologie) über die Motorölvorwärmung bis hin zur Kühlmittelvorwärmung und Waschwasserbeheizung. Aber auch zur Innenraumbeheizung und Ansaugluftvorwärmung werden die elektrischen Heizelemente genutzt. PTCs sorgen zudem dafür, dass bei Kondensatanfall im Kurbelgehäuse kein Eis entsteht. Und wer im Winter beim Fahren auf Handschuhe verzichten möchte, wählt ein Fahrzeug mit Lenkradheizung – ebenfalls auf selbstregelnder PTC-Basis.
Da PTCs im kalten Zustand einen niedrigen Widerstand haben, fließt ein entsprechend hoher Strom. Dadurch wird die gewünschte starke Heizleistung erreicht, und das zu erwärmende Element kommt schnell auf Betriebstemperatur. Je heißer PTCs jedoch werden, desto größer ist ihr Widerstand: Die Heizleistung sinkt entsprechend. Aufgrund dieser Temperaturselbstregelung werden oft keine zusätzlichen Steuergeräte oder Temperatursensoren benötigt. Eine Überhitzung ist ausgeschlossen.
Diese idealen Voraussetzungen werden den hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Qualität im Automobilbau gerecht. Dort sind die Bauteile extrem unterschiedlicher Wärmeausdehnung ausgesetzt, werden zudem ständig durchgerüttelt und müssen sich auch bei Außentemperaturen von -40° oder +120 °C prozesssicher betreiben lassen. Eichenauer stellt dies mit verlässlichen Testmethoden und Prüfverfahren sicher. Damit das PTC-Heizelement immer die gewünschte Leistung bringt, wird es dort über den gesamten Bereich der geforderten Betriebsbedingungen getestet. Als Pluspunkt für den Automobilbereich kommt hinzu, dass die von Eichenauer angewandte Bauweise den Einsatz von PTCs direkt in Flüssigkeiten wie Waschwasser, Kraftstoffen oder Motorölen möglich macht.
PTC-Technik verringert Schadstoffausstoß
So werden sie beispielsweise auch in Selective Catalytic Reduction (SCR)-Systemen zur Abgasnachbehandlung bzw. für die Stickoxidreduk- tion in Dieselfahrzeugen eingesetzt. Mit Hilfe der SCR-Technik lassen sich die Abgaswerte von Dieselmotoren weiter reduzieren. Die PTCs müssen dabei der korrosiven harnstoffwässrigen Lösung (HWL) standhalten. Eichenauer hat die Heizelemente deshalb zusammen mit Mann + Hummel speziell für diesen Einsatzzweck entwickelt. Der Ludwigsburger Zulieferer ist Entwicklungspartner und Serienlieferant der internationalen Automobilindustrie.
Bei der SCR-Technik wird eine harnstoffwässrige Lösung gezielt in den Abgasstrom vor dem Katalysator eindosiert. Damit die HWL auch bei Temperaturen unter -11 °C verfügbar ist, wird sie zum Halten der Betriebstemperatur beheizt. Außerdem muss sie bei entsprechenden Außentemperaturen während des Stillstands des Fahrzeugs erwärmt und aufgetaut werden. Dafür sorgt eine elektrische Heizung auf PTC-Basis, die direkt in das Filtergehäuse integriert ist.
Die Heizung ist mit einer Hülse aus rostfreiem Stahl mit sehr dünnen Wänden ausgestattet, die elektrischen Innenbauteile sind komplett gekapselt und bieten eine optimale Korro- sionsbeständigkeit wie auch niedrige Oberflächentemperatur. Die maximale Oberflächentemperatur bei benetzter Heizung beträgt 60 °C. Denn eine wichtige Voraussetzung für die korrekte Funktion der Filter in den SCR- Systemen liegt darin, dass sich die HWL nicht durch zu hohe Temperaturen chemisch verändert. Eine hohe Vibrationsbelastbarkeit entsprechend den Anforderungen von Nutzfahrzeugen und das robuste Design sorgen für gleichbleibend hohe Funktionalität über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
Kennfeldgesteuerter Thermostat
Eine weitere Anwendung findet man bei den Motorkühlmittelkreisläufen moderner Pkw-Motoren. Zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen sowie zur Leistungssteigerung sind sie mit einem Wärmemanagement ausgestattet. Eine zentrale Rolle dabei spielen elektrische, so genannte Kennfeld gesteuerte Thermostate: Thermostate konventioneller Bauart, in denen sich ein elektrisches Heizelement mit PTC-Effekt befindet.
Kennfeldgesteuerte Thermostate arbeiten stromlos in allen Fahrsituationen, in denen der Motor ein erhöhtes Temperaturniveau schadlos verkraftet. Steigt die Kühlmitteltemperatur jedoch zu stark an, wird das Dehnstoffelement mit dem elektrischen Heizelement beheizt, um ein zu hohes Temperaturniveau zu simulieren. Dabei öffnet der Thermostat den Weg zum Kühler, so dass mit maximal möglicher Kühlleistung die tatsächliche Kühlmitteltemperatur innerhalb von Sekunden abgesenkt wird. Die Ansteuerung der elektrischen Heizung im Kühlwasserthermostaten erfolgt über das Motorsteuergerät.
Die Heizung ist als Standardteil konzipiert, so dass sie für die verschiedensten Thermostatkonstruktionen eingesetzt werden kann. Sie besteht aus einem ohmschen Heizleiterdraht, der auf einem Kunststoffspulenkörper aufgewickelt ist. Durch die geringe Masse, die große Oberfläche und den Einsatz von Widerstandsdrähten mit PTC-Effekt werden eine hervorragende Dynamik und ein Übertemperaturschutz erreicht. Durch den Einsatz von verschiedenen Drahtdurchmessern und Drahtlängen kann Eichenauer auch schnell auf andere Leistungsanforderungen reagieren.
2007 hat Eichenauer 450 000 Kennfeldthermostate produziert. Für 2008 sind weitere Anwendungen fest definiert, und die Jahresstückzahl wird auf mehr als das Doppelte steigen. Da die Fertigungslinie von Anfang an für große Stückzahlen konzipiert worden ist, können auch in Zukunft alle Fertigungsschritte auf Großserienwerkzeugen prozesssicher erfolgen.
Aufbau eines PTC-Heizelementes
Prinzipiell besteht ein PTC-Heizelement aus einem oder mehreren Keramikpellets. Diese sind flach und beschichtet, damit ein besserer Kontakt über die Fläche stattfindet. Abhängig vom Verwendungszweck werden die Pellets in unterschiedliche Aluminiumprofile gepresst. Wichtig dabei ist der großflächige Kontakt zwischen PTC-Keramik und Aluminium, um einen optimalen Wärmeabfluss zu erreichen. Alle Formen, die sich mittels Aluminiumstrang- und Druckguss fertigen lassen, können mit PTCs beheizt werden. Der Geometrie der Heizung sind dadurch kaum Grenzen gesetzt und die Varianz im Industrieumfeld ist extrem groß.
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