Theorie des thermischen Verhaltens des keramischen Werkstoffes PTC

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Wissenschaftliche Studie aus dem Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik, , Sprache: Deutsch, Abstract: Der keramische Werkstoff PTC weist spezielle Eigenschaften auf, die ihn für elektrische Heizungen in Automobilen sowohl in Niedervolt- als auch in Hochvoltanlagen prädestinieren. Bei bestimmten Temperaturen (Curie-Temperatur) regelt sich der elektrische Strom selbsttätig ab, was insbesondere in Hochvoltanlagen einen Sicherheitsfaktor bedeutet. Andererseits kann der lineare Niedervolt-PTC nicht wegen der freiliegenden Pole ohne einen Berührungsschutz als Hochvolt-PTC-Heizer betrieben werden. In einer Heizungsanlage bilden der PTC-Stab als Wärmeerzeuger (Heizquelle) und der Wärmetauscher als Übergabestelle an das Heizmedium (Senke) voneinander abhängige Einheiten, die einen stationären Heizprozess gestalten. Die Wärmeerzeugung in der Quelle ist ein instationärer Vorgang: Jedes Watt der elektrischen Leistung generiert pro Sekunde ein Joule Wärmemenge, die kontinuierlich und zeitgleich in der Senke abgeführt werden muss. Zwischen der Wärmeerzeugung und Wärmeübertragung besteht die Dualität, dass die Ergiebigkeit der Senke permanent mit der Ergiebigkeit der Quelle korrespondieren muss. An der Nahtstelle zwischen Quelle und Senke beeinflussen unterschiedliche Materialien die Wärmeleitung, die als Störquellen auf den stationären Heizvorgang wirksam sind. Im Automobilbau hat sich der lineare Niedervolt-PTC-Heizer etabliert, der für Hochvolt-PTC-Heizungen einer Modifikation bedarf. Als Isolation gegen die Hochspannung ist eine Kunststoffummantelung um die Pole vorgesehen. Es gilt die allgemeine Erkenntnis, dass eine gute elektrische Isolationsschicht eine schlechte Wärmeleitung verursacht, [3]. Ein Alternativvorschlag zu dem linearen PTC-Heizer ist der konzentrische oder quadratische Heizstab, bei dem der hochvoltführende Pluspol von dem Minuspol eingekapselt ist. In beiden Versionen ist das gleiche Problem verborgen, dass unterschiedliche Materialien die Wärmeleitung beeinträchtigen. Die Gestaltung des Hochvolt-PTC-Heizers für die praktische Nutzanwendung im Automobilbau wird von den Anforderungen an die äußeren Abmessungen, die Wärmeleistung und die Curie-Temperatur bestimmt. In der vorgelegten Abhandlung wird ein mathematisches Modell entwickelt, das die Wärmeerzeugung in der Quelle und die Wärmeleitung zur Senke abbildet, um auf theoretische Weise Erkenntnisse und Schlussfolgerungen für einen praktikablen Einsatz im Automobilbau zu gewinnen.