TY - BOOK

T1 - Elektrothermische Analyse von planaren PTC-Heizern

AU - Röhrig, Sören

N1 - gesperrt bis 04-02-2018

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Typische keramische Werkstoffe mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) basieren auf geeignet dotiertem Bariumtitanat und weisen einen steilen Widerstandsanstieg in einem schmalen Temperaturintervall auf, der als PTC-Effekt bekannt ist. Diese Eigenschaft wird in selbst regelnden PTC-Heizern ausgenutzt. In dieser Arbeit wurde das elektrothermische Verhalten von plattenförmigen PTC-Heizern mit unterschiedlichem Elektrodendesign theoretisch und experimentell untersucht. Im Fokus stand ein alternatives und für PTC-Bauteile bisher kaum charakterisiertes Kontaktierungskonzept mit koplanaren, interdigitalen Elektroden (IDE). Es wurden theoretische Modelle mit unterschiedlicher Dimensionalität entwickelt, um wesentliche Merkmale der IDE-Kontaktierung zu erarbeiten. Wichtigste Beobachtung ist die lokal gesteigerte Wärmeerzeugung an den Elektrodenkanten, die sich auf die singuläre Feldstärkenüberhöhung zurückführen lässt. Mit Lock-in-Thermographie konnte die inhomogene Temperaturentwicklung sichtbar gemacht werden. Theoretisch wurde gezeigt, dass durch Anpassung des Elektrodendesigns mögliche Temperaturmaxima an der Elektrodenspitze entschärft werden können. Durch Transformation der mathematischen Bestimmungsgleichungen des 1D- bzw. 2D-Modells in dimensionslose Formen und durch Verwendung eines dreiparametrigen Ansatzes zur Beschreibung der elektrischen Widerstandskennlinie, konnte die Anzahl der zu untersuchenden Modellparameter auf drei bzw. fünf wesentliche Kennzahlen reduziert werden. Theoretische Studien liefern allgemeingültige Anhaltspunkte für die Auslegung und Optimierung von PTC-Heizern - sowohl für konventionell als auch alternativ kontaktierte Heizer. Demnach wird eine gute Performance erzielt, wenn die Biot-Zahl der Heizeranwendung unter Eins liegt. Dies bedeutet für Anwendungen mit hohem Wärmeübergang, dass die optimale Heizerdicke im Bereich weniger hundert Mikrometer liegt. Elektrische und thermographische Messungen wurden beim Betrieb von Prototypen an Luft und in Öl durchgeführt. Mit dem vollen 3D-Modell und unter Verwendung eines geeigneten Wärmeübergangskoeffizienten wurden diese Messergebnisse zuverlässig nachgebildet. Mit den Ergebnissen der allgemeinen Studien wurden die elektrische Spannung und die Flächenheizleistung der untersuchten Heizer bei einem bestimmten Betriebspunkt zureichend abgeschätzt.

AB - Typische keramische Werkstoffe mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) basieren auf geeignet dotiertem Bariumtitanat und weisen einen steilen Widerstandsanstieg in einem schmalen Temperaturintervall auf, der als PTC-Effekt bekannt ist. Diese Eigenschaft wird in selbst regelnden PTC-Heizern ausgenutzt. In dieser Arbeit wurde das elektrothermische Verhalten von plattenförmigen PTC-Heizern mit unterschiedlichem Elektrodendesign theoretisch und experimentell untersucht. Im Fokus stand ein alternatives und für PTC-Bauteile bisher kaum charakterisiertes Kontaktierungskonzept mit koplanaren, interdigitalen Elektroden (IDE). Es wurden theoretische Modelle mit unterschiedlicher Dimensionalität entwickelt, um wesentliche Merkmale der IDE-Kontaktierung zu erarbeiten. Wichtigste Beobachtung ist die lokal gesteigerte Wärmeerzeugung an den Elektrodenkanten, die sich auf die singuläre Feldstärkenüberhöhung zurückführen lässt. Mit Lock-in-Thermographie konnte die inhomogene Temperaturentwicklung sichtbar gemacht werden. Theoretisch wurde gezeigt, dass durch Anpassung des Elektrodendesigns mögliche Temperaturmaxima an der Elektrodenspitze entschärft werden können. Durch Transformation der mathematischen Bestimmungsgleichungen des 1D- bzw. 2D-Modells in dimensionslose Formen und durch Verwendung eines dreiparametrigen Ansatzes zur Beschreibung der elektrischen Widerstandskennlinie, konnte die Anzahl der zu untersuchenden Modellparameter auf drei bzw. fünf wesentliche Kennzahlen reduziert werden. Theoretische Studien liefern allgemeingültige Anhaltspunkte für die Auslegung und Optimierung von PTC-Heizern - sowohl für konventionell als auch alternativ kontaktierte Heizer. Demnach wird eine gute Performance erzielt, wenn die Biot-Zahl der Heizeranwendung unter Eins liegt. Dies bedeutet für Anwendungen mit hohem Wärmeübergang, dass die optimale Heizerdicke im Bereich weniger hundert Mikrometer liegt. Elektrische und thermographische Messungen wurden beim Betrieb von Prototypen an Luft und in Öl durchgeführt. Mit dem vollen 3D-Modell und unter Verwendung eines geeigneten Wärmeübergangskoeffizienten wurden diese Messergebnisse zuverlässig nachgebildet. Mit den Ergebnissen der allgemeinen Studien wurden die elektrische Spannung und die Flächenheizleistung der untersuchten Heizer bei einem bestimmten Betriebspunkt zureichend abgeschätzt.

KW - PTC-Heizer

KW - Elektrodendesign

KW - PTC heating elements

KW - electrode design

M3 - Dissertation

ER -