DD301817B5

DD301817B5 - SELF-CONTROLLING ELECTRIC HEATING DEVICE WITH PTC HEATING ELEMENTS

Info

Publication number: DD301817B5
Application number: DD324740A
Authority: DD
Inventors: Herbert Gladigow; Wolfgang Schaetzing; Dieter Heymann
Original assignee: Espv Elektronik Sys Prod & Vertriebs Gmbh
Priority date: 1989-01-02
Filing date: 1989-01-02
Publication date: 1994-03-31
Also published as: HUT54005A; DE3936088A1; NL8903126A; HU895834D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstregelnde elektrische Heizeinrichtung mit PTC-Heizelementen, welche auf der wärmeaufnehmenden Seite eines Heizkörpers in gutem thermischen und elektrischen Kontakt zum Heizkörper angeordnet sind, einem in elektrischem Kontakt zu den PTC-Heizelementen stehenden Kontaktelement, welches auf der wärmeaufnehmenden Seite des Heizkörpers abgewandten Oberseite der PTC-Heizelemente angeordnet ist, und mit einem Halte- und Justierelement zur sicheren elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizelemente. Erfindungsgemäß wird das Kontaktelement durch einen vom Halte- und Justierelement ausgeübten Druck in flächenhafter Berührung mit der Oberseite der PTC-Heizelemente gehalten, und es ist mit solcher Masse und Wärmekapazität ausgebildet, dass es während der Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur eine zur definierten Bestimmung der Aufheizzeit dienende Wärmemenge von der Oberseite der PTC_Heizelemente abführt. Dadurch ist die Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur zur Anpassung der Aufheizcharakteristik an verschiedenste Anwendungsfälle vorherbestimmbar und/oder eine Verringerung der maximalen Stromaufnahme der Heizeinrichtung möglich. Fig. 2{elektrische Heizeinrichtung, selbstregelnd; PTC-Heizelemente; Kontaktelement; Wärmekapazität; Stromaufnahme; Aufheizzeit}The invention relates to a self-regulating electric heater with PTC heating elements, which are arranged on the heat receiving side of a radiator in good thermal and electrical contact with the radiator, standing in electrical contact with the PTC heating elements contact element, which faces away on the heat receiving side of the radiator Top of the PTC heating elements is arranged, and with a holding and adjusting element for safe electrical contacting of the PTC heating elements. According to the contact element is held by a pressure exerted by the holding and adjusting element in surface contact with the top of the PTC heating elements, and it is formed with such mass and heat capacity that during the heating up to reach the working temperature for the defined determination of Dissipates heating amount dissipating heat from the top of the PTC_Heizelemente. As a result, the heating time to reach the working temperature for adapting the heating characteristic to a variety of applications is predeterminable and / or a reduction in the maximum current consumption of the heater possible. Fig. 2 {electric heater, self-regulating; PTC heating elements; Contact element; Heat capacity; Current consumption; Heating time}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung ist in Wärmegeräten aller Art mit einer Heizstufe, z.B. Löteinrichtungen und Luftduschen, und insbesondere zur Gemisch- oder Luftvorwärmung in Brennkraftmaschinen unter extremen Umgebungstemperaturen anwendbar.The invention is in heating devices of all kinds with a heating stage, e.g. Soldering and air showers, and in particular for mixture or air preheating in internal combustion engines under extreme ambient temperatures applicable.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es sind bereits eine Vielzahl technischer Lösungen für selbstregelnde Heizeinrichtungen mit PTC-Heizelementen bekannt. Gemeinsames Merkmal aller Heizeinrichtungen mit PTC-Heizelementen sind Vorrichtungen zur Realisierung eines guten Wärmekontaktes zwischen PTC-Heizelementen und einem Heizkörper, wobei die von den PTC-Heizelementen erzeugte Wärme von einer Seite oder beiden Seiten der PTC-Heizelemente dem Heizkörper zugeführt wird. In den DE-OS 2610043, DE-OS 3121025 und US-PS 4419564 sind Heizeinrichtungen zur Saugrohrbeheizung in Brennkraftmaschinen beschrieben, bei denen die PTC-Heizelemente mit einer Seite mittels wärmeleitender Metallplatte, silbergefülltem Epoxidharz, silbergefülltem Kunststoff auf Silikonbasis oder Wärmeleitgitter in einem guten thermischen und elektrischen Kontakt zum Heizkörper stehen. Auf der anderen Seite der PTC-Heizelemente sind elektrisch leitende Kontakte zur Stromzufuhr angebracht. Derartige Heizeinrichtungen besitzen den Nachteil, daß aufgrund der einseitigen Wärmeabführung von den PTC-Heizelementen diese inhomogen erwärmt werden und die Heizleistung dsr PTC-Heizelemente nicht optimal ausnutzbar ist. Das heißt, die mit den elektrischen Kontakten zur Stromzufuhr verbundene Seite der PTC-Heizelemente wird in kürzester Zeit aufgeheizt, der elektrische Widerstand der PTC-Heizelemente steigt schnell an und bewegt damit den Heizstrom und die von den PTC-Heizelementen maximal abgebbare Wärmemenge.There are already a variety of technical solutions for self-regulating heaters with PTC heating elements known. A common feature of all heaters with PTC heating elements are devices for realizing a good thermal contact between PTC heating elements and a radiator, wherein the heat generated by the PTC heating elements from one side or both sides of the PTC heating elements is supplied to the radiator. In DE-OS 2610043, DE-OS 3121025 and US-PS 4419564 heating devices are described for Saugrohrbeheizung in internal combustion engines, in which the PTC heating elements with one side by heat-conducting metal plate, silver-filled epoxy resin, silver-filled silicone-based plastic or Wärmeleitgitter in a good thermal and make electrical contact with the radiator. On the other side of the PTC heating elements electrically conductive contacts are attached to the power supply. Such heaters have the disadvantage that due to the one-sided heat dissipation from the PTC heating elements they are heated inhomogeneously and the heating power dsr PTC heating elements is not optimally exploitable. That is, the side of the PTC heating elements connected to the electrical contacts for power supply is heated up in a very short time, the electrical resistance of the PTC heating elements increases rapidly and thus moves the heating current and the maximum amount of heat that can be emitted by the PTC heating elements.

Ein weiterer Nachteil dieser Heizeinrichtungen besteht in der Erhöhung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen den PTC-Heizelementen und dem Heizkörper gegenüber technischen Lösungen mit direktem, innigen Kontakt dor PTC-Hoizelements zum Heizkörper, was ebenfalls die maximal erreichbare Heiztemperatur und die Heizleistung vermindert. Von Nachteil ist auch der eingeschränkte Temperatureinsatzbereich dieser Heizeinrichtungen aufgrund der verwendeten Wärmeleitmittel zwischen PTC-Heizelementon und Heizkörper und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit bei Extremboanspruchungen von -4O⁰C bis +180°C sowie der unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften von PTC-Heizolement, Wärmeleitmittel und Heizkörper, welche nicht mit der erforderlichen konstruktiven Sicherheit und reproduzierbar ausgeglichen werden können. Bei Verwendung von Leitklebern zur Verbindung von PTC-Heizelementen und Heizkörper und in Kombination mit Kontaktfedern relativ geringer Federkraft als Stromzuführung für die PTC-Hcizelemente können Schädigungen in der Verbindungsschicht zum Heizkörper oder an den PTC-Heizelementen auftreten und zum Ausfall oder zur Funktionsbeeinträchtigung der Heizeinrichtung führen.Another disadvantage of these heaters is to increase the heat transfer resistance between the PTC heating elements and the radiator over technical solutions with direct, intimate contact dor PTC Hoizelements to the radiator, which also reduces the maximum achievable heating temperature and heat output. Another disadvantage is the limited temperature range of use of these heaters due to the heat transfer between PTC Heizelementon and radiators and their thermal shock resistance at extreme load requirements from -4O ⁰ C to + 180 ° C and the different thermal expansion properties of PTC-Heizolement, heat conduction and radiator, which does not the required structural safety and can be compensated reproducibly. When using conductive adhesives to connect PTC heating elements and radiators and in combination with relatively small spring force contact springs as power supply for the PTC Hcizelemente damage may occur in the connecting layer to the radiator or on the PTC heating elements and lead to failure or functional impairment of the heater ,

Der Nachteil der einseitigen Wärmeabführung von den PTC-Heizelementen wird nach der Heizeinrichtung gemäß US-PS 4387 291 vermieden, wobei auf beiden Seiten der PTC-Heizelemente Wellfedern für den elektrischen Kontakt angebracht sind und für den thormischen Kontakt die PTC-Heizelemente vollständig von einem elektrisch isolierenden Wärmeleitmittel auf Silikonbasis umgeben sind sowie auf der dem Heizkörper abgewandten Seite der PTC-Elemonte ein Wärmeleitmittel zur Wärmeabführung von dieser Seite der PTC-Heizelemente und mittelbaren Wärmeübertragung auf den Heizkörper vorhanden ist. Diese Lösung hat den Nachteil verhältnismäßig großer Wärmeübergangswiderstände von den PTC-Heizelementen auf den Heizkörper und eine damit verbundene verminderte Heizleistung der gesamten Heizeinrichtung.The disadvantage of one-sided heat dissipation from the PTC heating elements is avoided according to the heating device according to US-PS 4387 291, wherein on both sides of the PTC heating elements corrugated springs for electrical contact are mounted and for the thormic contact the PTC heating elements completely from an electrical Insulating silicone-based heat-conducting are surrounded and on the side facing away from the radiator side of the PTC Elemonte a heat conduction for heat removal from this side of the PTC heating elements and indirect heat transfer to the radiator is present. This solution has the disadvantage of relatively large heat transfer resistances of the PTC heating elements on the radiator and an associated reduced heating power of the entire heater.

Aus der DE-OS 3617 679 ist eine weitere Heizeinrichtung mit zweiseitiger Wärmeabführung von den PTC-Heizelementen bekannt, die für universelle Anwendung, insbesondere zur Saugrohrbeheizung in Brennkraftmaschinen nicht geeignet ist, da die konkreten Erfordernisse der elektrischen Isolation zu einem explosiven Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht erfüllt werden. Von Nachteil ist auch die zwischen Wärmeleitmitteln und Heizkörper erforderliche Isolierfolie, welche die beabsichtigte Wirkung der Heizeinrichtung, eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie der PTC-Heizelemente zu gewährleisten, zumindest teilweise aufhebt. Weiterhin ist die vorgeschlagene Fixierung der PTC-Heizelemente zwischen zwei Wärmeleitmitteln mit elektrisch leitendem Klebstoff nachteilig, da die Klebstoffverbindung den Einsatztemperaturbereich der Heizeinrichtung einschränkt. Weitere bekannte Lösungen für Heizeinrichtungen mit PTC-Heizelementen und mit zweiseitiger Wärmeabfuhr von den PTC-Heizelementen sind in den DE-OS 2804860, CE-OS 2835742, DE-OS 2932026, DE-OS 2948592, DE-OS 3022034, DE-OS3151109, DE-OS 3436826 und DE-OS 3603535 beschrieben. Diuse Lösungen hatan den gemeinsamen Nachteil, daß eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie der PTC-Heizelemente durch relativ große Wärmeübergangs Verstände und erforderliche Maßnahmen zur elektrischen Isolation nicht möglich ist.From DE-OS 3617 679 another heater with two-sided heat dissipation of the PTC heating elements is known, which is not suitable for universal application, in particular for Saugrohrbeheizung in internal combustion engines, since the concrete requirements of electrical insulation to an explosive fuel-air mixture not be met. A disadvantage is also required between the heat conductors and radiator insulation, which at least partially abolishes the intended effect of the heater to ensure optimum utilization of the thermal energy of the PTC heating elements. Furthermore, the proposed fixation of the PTC heating elements between two heat conductivities with electrically conductive adhesive is disadvantageous because the adhesive compound restricts the operating temperature range of the heating device. Further known solutions for heating devices with PTC heating elements and with two-sided heat removal from the PTC heating elements are described in DE-OS 2804860, CE-OS 2835742, DE-OS 2932026, DE-OS 2948592, DE-OS 3022034, DE-OS3151109, US Pat. DE-OS 3436826 and DE-OS 3603535 described. Diuse solutions has the common disadvantage that optimal utilization of the thermal energy of the PTC heating elements by relatively large heat transfer conditions and necessary measures for electrical insulation is not possible.

Gemeinsamer Ncchteil aller bekannten technischen Lösungen ist, daß eine gezielte Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs e'er Wärmeenergieerzeugung und der Anpassung der Arbeitstemperatur der Heizeinrichtung an die jeweiligen Erfordernisse sowie die Begrenzung der maximalen Stromaufnahme durch die PTC-Heizelemente nicht realisierbar ist. Bei den bekannten Lösungen laufen alle dynamischen elektrischen und thermischen Vorgänge in den PTC-Heizelementen qualitativ und quantitativ nahezu gleichartig und gleichzeitig ab. Dabei treten nach dem Einschalten der Heizeinrichtung sehr hohe elektrische Ströme auf, die in bestimmten Anwendungsfällen bei zu hoher Belastung der Stromversorgungsquelle oder der Stromzuführungsleitungen unzulässig sind.Common Ncchteil all known technical solutions is that a targeted influencing the time course e'er heat energy production and the adjustment of the working temperature of the heater to the respective requirements and the limitation of the maximum power consumption by the PTC heating elements is not feasible. In the known solutions, all dynamic electrical and thermal processes in the PTC heating elements proceed qualitatively and quantitatively almost equally and simultaneously. After switching on the heating device, very high electrical currents occur, which are inadmissible in certain applications when the power source or the power supply lines are too heavily loaded.

Nicht zuletzt ist bei allen bekannten technischen Lösungen von Nachteil, daß diese wenig montagefreundlich sind und insbesondere die Verwendung von Klebstoffen, viskosen Wärmeleitmitteln oder Federelomenten eine Fertigung der Heizeinrichtung mittels Industrierobotern sehr erschweren.Not least, in all known technical solutions of disadvantage that they are less easy to install and in particular the use of adhesives, viscous heat conduction or spring moments make it difficult to manufacture the heater by means of industrial robots.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und eine selbstregelnde elekti ische Heizeinrichtung zu schaffen, die bei geringem Montage- und Materialaufwand sowie robustem unkomplizierten Aufbau in einem extremen Umgebungstemperaturbereich einsetzbar ist und die wesentlich verbesserte dynamische Heizeigenschaften besitzt.The aim of the invention is to avoid the disadvantages of the known prior art and to provide a self-regulating elekti ische heater that can be used with low assembly and material costs and robust uncomplicated construction in an extreme ambient temperature range and has significantly improved dynamic heating properties.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer selbstregelnden elektrischen Heizeinrichtung mit PTC-Heizelementen, v/elche auf der wärmeaufnehmenden Seite eines Heizkörpers in gutem thermischem und elektrischem Kontakt zum Heizkörper angeordnet sind, einem in elektrischem Kontakt zu den PTC-Heizelementen stehenden Kontaktelement, welches auf der der wärmeaufnehmenden Seite des Heizkörpers abgewandten Oberseite der PTC-Heizelemente angeordnet ist, und mit einem Halte- und Justierelement zur sicheren elektrischen Kontaktierung der PTC-Heizelemente, und bei welcher die Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur und/oder eine Verringerung der maximalen Stromaufnahme der Heizeinrichtung zur Anpassung der Aufheizcharakteristik an verschiedenste Anwendungsfälle vorherbestimmbar ist.The object of the invention is to provide a self-regulating electric heater with PTC heating elements, which are arranged on the heat receiving side of a radiator in good thermal and electrical contact with the radiator, a standing in electrical contact with the PTC heating elements contact element, which on the the heat-receiving side of the radiator remote from the top of the PTC heating elements is arranged, and with a holding and adjusting element for safe electrical contacting of the PTC heating elements, and wherein the heating time to reach the working temperature and / or a reduction in the maximum current consumption of the heater for the adaptation of the heating characteristic to a variety of applications is predictable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kontaktelement durch einen vom Halte- und Justie -element ausgeübten Druck in flächenhafter Berührung mit der Oberseite der PTC-Heizelemente gehalten wird und mit solcher Masce und Wärmekapazität ?·· .gebildet ist, daß es während der Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur eine zur definierten Bestimmung der Aufheizzeit dienende Wärmemenge von der Oberseite der PTC-Heizelemente abführt. Die durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Heizeinrichtung erzielte Wirkung beruht auf der Beeinflussung cies dynamischen Verhaltens der Heizeinrichtung während der Aufheizzeit, also in einem sehr kurzen Zeitabschnitt nach dem Einschalten des Stroms. Wider Erwarten ist für die Bestimmung der Aufheizzeit nicht die gesamte während der Aufheizzeit abgeführte Wärmemenge maßgeblich, sondern die richtige Abstimmung zwischen der Wärmemenge, die von den mit dem Heizkörper in Kontakt stehenden Unterseiten der PTC-Heizelemente abgeführt wird, und der Wärmemenge, die von den gegenüberliegenden Oberseiten der PTC-Heizelemente abgeführt wird. Die von den Unterseiten der PTC-Heizelemente abgeführte Wärmemenge ist durch den Heizkörper vorgegeben; die von den Oberseiten der PTC-Heizelemente abgeführteAccording to the invention, this object is achieved in that the contact element is held by a pressure exerted by the holding and Justie-element in surface contact with the top of the PTC heating elements and with such Masce and heat capacity is formed ... ·· Heating time to reach the working temperature dissipates a serving for the defined determination of the heating time amount of heat from the top of the PTC heating elements. The effect achieved by the inventive design of the heater is based on influencing cies dynamic behavior of the heater during the heating, so in a very short period of time after turning on the power. Contrary to expectations, the determination of the heating time is not the total amount of heat dissipated during the heating time decisive, but the right balance between the amount of heat dissipated by the heating body in contact with the underside of the PTC heating elements, and the amount of heat from the opposite upper sides of the PTC heating elements is discharged. The heat dissipated from the undersides of the PTC heating elements is determined by the radiator; discharged from the tops of PTC heaters

Wärmemenge ist insbesondere durch die Masse und die Wärmekapazität des mit diesen Oberseiten in Berührung stehenden Kontaktelements bestimmt. Durch geeignete Bemessung der Masse und der Wärmekapazität des Kontaktelements sowie gegebenenfalls auch der Größe der wirksamen Wärmeübergangsfläche kann die von den Oberseiten der PTC-Heizelemente abgeführte Wärmemenge und damit die Aufheizzeit eingestellt worden.Amount of heat is determined in particular by the mass and the heat capacity of the contacting with these tops contact element. By suitable dimensioning of the mass and the heat capacity of the contact element and possibly also the size of the effective heat transfer surface, the heat dissipated from the tops of the PTC heating elements and thus the heating time has been adjusted.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung besteht darin, daß mindestens zwei der in flächenhafter Berührung mit den Oberseiten der PTC-Heizelemente stehenden Flächenbereiche des Kontaktelement!, voneinander verschiedene Wärmekapazitäten haben und untereinander einen hohen Wärmeüborgangswiderstand aufweisen. Dadurch wird erreicht, daß die Maxima der Stromaufnahme der einzelnen PTC-Heizelemente zeitlich gestaffelt sind. Da die Summe der Stromaufnahmen der einzelnen PTC-Heizelemente die Gesamtstromaufnahme der Heizeinrichtung bestimmt, wird durch die zeitliche Staffelung die maximale Stromaufnahme der Heizeinrichtung verringert.An advantageous development of the heating device according to the invention is that at least two of the surface areas of the contact element, which are in surface contact with the upper sides of the PTC heating elements, have mutually different heat capacities and have a high thermal contact resistance with one another. This ensures that the maxima of the current consumption of the individual PTC heating elements are staggered over time. Since the sum of the current consumption of the individual PTC heating elements determines the total current consumption of the heating device, the temporal staggering reduces the maximum current consumption of the heating device.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following embodiment. Show

Fig. 1 a: das thermische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen HeizeinrichtungFig. 1 a: the thermal equivalent circuit diagram of a heating device according to the invention

Fig. 1b: zwei Strom-Zeit-Kennlinien einererfindungsgemäßen HeizeinrichtungFig. 1b: two current-time characteristics of a heater according to the invention

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Anordnung für einen Gemischvorwärmer in Kraftfahrzeugen2 shows an arrangement according to the invention for a mixture preheater in motor vehicles

Fig. 3a: dieerfindungsgemäße Ausführung eines Kontaktelementes 33a shows the embodiment of a contact element 3 according to the invention

Fig. 3 b: die erfindungsgemäße Ausführung eines Kontaktelementes 3 mit erhöhtem Wärmeübertragungswiderstand3 b shows the embodiment according to the invention of a contact element 3 with increased heat transfer resistance

der den PTC-Heizelementen zugeordneten Flächenbereiche des Kontaktelementes 3the surface areas of the contact element 3 assigned to the PTC heating elements

Fig. 4: die Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung für ein PTC-Heizelement 2.4 shows the illustration of an arrangement according to the invention for a PTC heating element 2.

Gemäß Fig. 2 besteht die erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung für einen Gemischvorwärmer bekannterweise aus einem Heizkörper 1 mit mehreren PTC-Heizelementen, welche in Vertiefungen der Bodenfläche des Heizkörpers 1 lagefixiert sind und zur Gewährleistung eines guten thermischen Kontaktes zwischen der dem Heizkörper 1 zugewandten Unterseite 21 der PTC-Heizelemente 2 und der Bodenfläche des Heizkörpers 1 ein Wärmeleitmittel 41 angeordnet ist. Auf der dem Heizkörper 1 abgewandten Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 befindet sich das Kontaktelement 3, welches elektrisch leitfähig ist und über eine Anschlußfahne 7 und ein Stromkabel 8 die Stromzuführung für die elektrische Heizeinrichtung realisiert sowie über ein Wärmeleitmittel 42 in gutem thermischen Kontakt zur Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 steht. Zur lagerichtigen Fixierung des Kontaktelementes 3 bzw. der PTC-Heizelomente 2 ist oberhalb des Kontaktelementes 3 ein Haltemittel angeordnet, welches aus einer Isolierplatte 5 und Druckfedern 6 besteht. Die Gegenkraft für die Druckfedern 6 wird durch einen am Heizkörper 1 befestigten Deckel 9 gebildet.2, the electric heater according to the invention for a Gemischvorwärmer known from a radiator 1 with a plurality of PTC heating elements which are fixed in position in depressions of the bottom surface of the radiator 1 and to ensure good thermal contact between the radiator 1 facing bottom 21 of the PTC Heating elements 2 and the bottom surface of the radiator 1, a heat conducting 41 is arranged. On the upper side 22 of the PTC heating elements 2 facing away from the radiator 1 there is the contact element 3, which is electrically conductive and realizes the power supply for the electric heating device via a connecting lug 7 and a power cable 8 and via a heat conducting means 42 in good thermal contact with the upper side 22 of the PTC heating elements 2 stands. For the correct fixing of the contact element 3 and the PTC heating torques 2, a holding means is arranged above the contact element 3, which consists of an insulating plate 5 and compression springs 6. The counterforce for the compression springs 6 is formed by a lid 9 attached to the radiator 1.

Das thermische Ersatzschaltbild für eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung gemäß Fig. 2 bzw. für ein einzelnes PTC-Heizelement 2 gemäß Fig.4 ist in Fig. 1 a dargestellt. Dabei wird das Wärmespeichervermögen des Heizkörpers 1 durch die Wärmekapazität CA charakterisiert. Der Heizkörper 1 besitzt die Temperatur TA und hat zur Umgebungsluft einen Wärmeübergangswiderstand RA. Gegenüber dem Wärmeübergangswiderstand RA kann der Wärmewiderstand des Heizkörpers 1, welcher aus thermisch gut leitendem Material besteht, vernachlässigt werden. Die PTC-Heizelemente 2 werden durch ihren Wärmewiderstand RG und durch ihre Wärmekapazität CG charakterisiert. Zwischen PTC-Heizelementen 2 und Heizkörper 1 besteht ein Wärmeübergangswiderstand RUG. Er kennzeichnet die thermischen Eigenschaften des Wärmeleitmittels 42. Das Wärmoleitmittel 41 wird durch den Wärmeübergangswiderstand RIG zwischen den PTC-Heizelementen 2 und dem Kontaktelement 3 gekennzeichnet. Das Kontaktelement 3 besitzt die Wärmekapazität CAI. Erfindungsgemäß dient die Wärmekapazität CAI des Kontaktelementes 3 der definierten Bestimmung der Aufheizzeit des Ge.Tiischvorwärmers bis zum Erreichen seiner Arbeitstemperatur oder/und zur Verringerung der maximalen Stromaufnahme des Gemischvorwärmers. In Abhängigkeit von der Größe, der Masse oder/und vom spezifischen Wärmespeichervermögen des Kontaktelementes 3 oder/und von der Größe der in thermischen Kontakt zum jeweiligen PTC-Heizelement 2 stehenden Fläche des Kontaktelementes 3 ist die Aufheizzeit des Ge-nischvorwärmers vorharbestimmbar, da durch Veränderung einer der genannten Parameter mehr oder weniger Wärme von der Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 an das Kontaktelement 3 abgeführt wird und damit die Strom-Zeit-Kennlinie des Gemischvorwärmers oder einer anderen erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung definiert beeinflußbar ist. Das heißt, je mehr Wärme von der Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 abgeführt wird und solange die von der Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 abgeführte Wärmemenge kleiner ist als die von der Unterseite 21 der PTC-Heizelemente 2 vom Heizkörper 1 abgeführte Wärmemenge, um so langsamer heizen sich die PTC-Heizelemente 2 und der Heizkörper 1 auf, um so später erreicht die elektrische Heizeinrichtung ihren maximalen Stromverbrauch und um so kürzer ist die Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur der elektrischen Heizeinrichtung. Die Verkürzung der Aufheizzeit bei einem später eintretenden Maximum der Stromaufnahme der PTC-Heizelemente 2 ist aufgrund der geringeren Steilheit der Strom-Zeit-Kennlinie, in Fig. 1 b dargestellt, und damit auch der Temperatur-Zeit-Kennlinie der jeweiligen Heizeinrichtung nachweisbar, d. h., in der gleichen Zeiteinheit wird eine größere Wärmemenge an den Heizkörper 1 abgegeben.The thermal equivalent circuit diagram for a heating device according to the invention according to FIG. 2 or for a single PTC heating element 2 according to FIG. 4 is shown in FIG. 1 a. In this case, the heat storage capacity of the radiator 1 is characterized by the heat capacity CA. The radiator 1 has the temperature TA and has a heat transfer resistance RA to the ambient air. Compared to the heat transfer resistance RA, the thermal resistance of the radiator 1, which consists of thermally highly conductive material, can be neglected. The PTC heating elements 2 are characterized by their thermal resistance RG and by their heat capacity CG. Between PTC heating elements 2 and radiator 1 there is a heat transfer resistance RUG. It characterizes the thermal properties of the heat conducting means 42. The heat conducting means 41 is characterized by the heat transfer resistance RIG between the PTC heating elements 2 and the contact element 3. The contact element 3 has the heat capacity CAI. According to the invention, the heat capacity CAI of the contact element 3 serves for the defined determination of the heating time of the Ge.Tiischvorwärmers until it reaches its operating temperature and / or to reduce the maximum current consumption of the mixture preheater. Depending on the size, the mass and / or the specific heat storage capacity of the contact element 3 or / and the size of the standing in thermal contact with the respective PTC heating element 2 surface of the contact element 3, the heating time of the Ge nischvorwärmers vorharbestimmbar, as by change one of said parameters is dissipated more or less heat from the upper side 22 of the PTC heating elements 2 to the contact element 3 and thus the current-time characteristic of the mixture preheater or another electrical heating device according to the invention can be influenced in a defined manner. That is, the more heat is dissipated from the upper side 22 of the PTC heating elements 2 and as long as the amount of heat dissipated from the upper side 22 of the PTC heating elements 2 is smaller than the amount of heat dissipated by the radiator 1 from the underside 21 of the PTC heating elements 2, the slower the PTC heating elements 2 and the radiator 1 heat up, so later reaches the electric heater their maximum power consumption and the shorter the heating time is until reaching the working temperature of the electric heater. The shortening of the heating time at a later occurring maximum power consumption of the PTC heating elements 2 is due to the lower slope of the current-time characteristic, shown in Fig. 1 b, and thus the temperature-time characteristic of the respective heater detectable, d , h., In the same time unit, a larger amount of heat is delivered to the radiator 1.

In Fig. 1 b zeigt die in voller Linie gezeichnete Kurve die Strom-Zeit-Kennlinie bei geringer und die in gestrichelter Linie gezeichnete Kurve die Strom-Zeit-Kennlinie bei größerer Wärmeabführung von den Oberseiten der PTC-Elemente. Der Temperaturanstieg entspricht der abgeführten Wärmemenge, die wisderum dar Fläche unter der Strom-Zeit-Kennlinie proportional ist. Diese Fläche wächst bei der gestrichelten Kurve schneller als bei der in voller Linie gezeichneten Kurve. Demzufolge wird mit der gestrichelten Strom-Zait-Kennlinie, trotz kleinerer maximaler Stromstärke, die Arbeitstemperatur früher erreicht als mit der in voller Linie gezeichneten Strom-Zeit-Kennlinie.In Fig. 1 b, the curve drawn in full line shows the current-time characteristic at low and the dashed line curve shows the current-time characteristic with greater heat dissipation from the tops of the PTC elements. The temperature rise corresponds to the amount of heat dissipated, which is in fact the area proportional to the current-time characteristic. This area grows faster with the dashed curve than with the curve drawn in full line. Consequently, with the dashed current-Zait characteristic, despite lower maximum current, the working temperature reached earlier than the drawn in full line current-time characteristic.

Die kürzeste Aufheizzeit bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur wird erreicht, wenn auf beiden Seiten der PTC-Heizelemente 2 eine gleich große Wärmemenge abgeführt wird. Der Fall der Abführung einer größeren Wärmemenge von der Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 als von ihrer Unterseite 21 führt wieder zu einer Verlängerung der Aufheizzeit der elektrischen Heizeinrichtung und ist wegen des umgekehrten Heizeffektes für den praktischen Einsatz nicht relevant.The shortest heating time until reaching the working temperature is achieved when an equal amount of heat is dissipated on both sides of the PTC heating elements 2. The case of discharging a larger amount of heat from the upper surface 22 of the PTC heating elements 2 than from its lower side 21 again leads to an extension of the heating time of the electric heater and is not relevant for practical use because of the reverse heating effect.

Die definierte Bestimmung der Aufheizzeit ist aus den Temperatur-Zoit-Verläufen des Aufheizvorganges entsprechend der Kennlinienoptimierung in Abhängigkeit einer oder mehrerer der den Wärmeübergang zwischen Oberseite 22 der PTC-Heizelemente 2 und Kontaktelement 3 oder die Wärmekapazität CAI des Kontaktelementes 3 beeinflussenden Parameter leicht möglich.The defined determination of the heating time is easily possible from the temperature-Zoit curves of the heating process according to the characteristic optimization as a function of one or more of the heat transfer between the top 22 of the PTC heating elements 2 and contact element 3 or the heat capacity CAI of the contact element 3 influencing parameters.

Eine Verringerung der maximalen Stromaufnahme der elektrischen Heizeinrichtung wird durch Zuordnung eines bestimmten Flächenbereiches des Kontaktelemente'; 3 zu jedem PTC-Heizelement 2 erreicht, wobei mindestens zwei Flächenbereiche in ihrer Masse, im spezifischen Wärmespeichervermögen oder in ihrer Größe voneinander verschieden sind. Flächenbereicho des Kontaktelementes 3, die in mindestens einem der genannten Parameter voneinander verschieden sind, besitzen auch eine voneinander verschiedene Wärmekapazität, die jeweils einem PTC-Heizelement 2 zugeordnet ist. Aus dieser Zuordnung resultiert eine zeitliche Staffelung der maximalen Stromaufnahme jeder PTC-Heizelementekombination gemäß Fig.4. Das Maximum der Stromaufnahme der elektrischen Heizeinrichtung, resultierend aus der Summe der Strom-Zeit-Verläufe der PTC-Heizelementekombinationen, verringert sich aufgrund der zeitlichen Staffelung der Maxima der Stromaufnahme der einzelnen PTC-Heizelementekombinationen.A reduction in the maximum current consumption of the electric heating device is achieved by assigning a specific surface area of the contact elements'; 3 reaches each PTC heating element 2, wherein at least two surface areas are different in their mass, in the specific heat storage capacity or in their size. Flächenbereicho the contact element 3, which are different from each other in at least one of said parameters, also have a mutually different heat capacity, which is assigned to a respective PTC heating element 2. This assignment results in a temporal staggering of the maximum power consumption of each PTC heating element combination according to FIG. The maximum of the current consumption of the electric heating device, resulting from the sum of the current-time profiles of the PTC heating element combinations, is reduced due to the time staggering of the maximum current consumption of the individual PTC heating element combinations.

In Fig. 3 b wird die Realisierung verschiedener Wärmekapazitäten von Flächenbereichen des Kontaktelementes 3 durch verschiedene Größen mit untereinander hohen Wärmeübergangswiderständen gezeigt. Diese hohen Wärmeübergangswiderstände werden in Fig.3 b durch kreisbogenförmige Aussparungen geschaffen, können aber auch durch Bohrungen oder anders geformte Aussparungen gebildet werden.In Fig. 3 b, the realization of different heat capacities of surface areas of the contact element 3 is shown by different sizes with each other high heat transfer resistance. These high heat transfer resistances are created in FIG. 3 b by circular arc-shaped recesses, but can also be formed by bores or differently shaped recesses.

Fig. 3a zeigt eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Ausführung des Kontaktelementes 3, wobei durch eine Aussparung mindestens zwei in ihrer Größe verschiedene Flächenbereiche unterschiedlicher Wärmekapazität gebildet werden und gleichzeitig das ausgesparte Material als Kontaktfahne 7 genutzt werden kann. Eine vorherbestimmbare maximale Stromaufnahme der Heizeinrichtung ist aus der Summe der Strom-Zeit-Kennlinien jeder PTC-Heizelementekombination in Abhängigkeit von mindestens einam der genannten Parameter ermittelbar.FIG. 3 a shows an embodiment of the contact element 3 which is particularly advantageous in terms of manufacturing technology, wherein at least two different surface areas of different heat capacity are formed by a recess and at the same time the recessed material can be used as a contact lug 7. A predeterminable maximum current consumption of the heating device can be determined from the sum of the current-time characteristics of each PTC heating element combination as a function of at least one of the mentioned parameters.

Zur Verbesserung des thermischen Kontaktes mit der Oberseite der PTC-Heizolomente 2 ist das Kontaktelement 3 durch den über die Druckfedern 6 ausgeübten Druck berührend angeordnet, wobei gleichzeitig der elektrische Kontakt realisiert wird. Eine derartige Anordnung des Kontaktelementes 3 hat den wesentlichen Vorteil, daß das Wärmeleitmittel 42 auch elektrisch isolierend sein kann und daher über einen in der Isolierplatte 5 befindlichen Einfüllstutzen 10 nach dem Zusammenbau des Gemischvorwärmers bzw. einer anderen erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung die identischen Wärmeleitmittel und 42 gleichzeitig eingebracht werden können. Die Verwendung von teueren, elektrisch leitfähigen Stoffen, z. B. silbergefüllte Silikonklebstoffe, als Wärmeloitmittel entfällt damit. Als Wärmoleitn .ittel 41 bzw. 42 für eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung ist z. B. Silikonfett verwendbar, was aufgrund seiner T< mperaturwechselbeständigkeit, insbesondere in Gemischvorwärmern für Kraftfahrzeuge, für Temperatureinsatzbereiche von -40 Grad Celsius bis +180 Grad Celsius ausgezeichnet geeignet ist.To improve the thermal contact with the upper side of the PTC heating torques 2, the contact element 3 is arranged in contact with the pressure exerted via the compression springs 6, wherein the electrical contact is realized at the same time. Such an arrangement of the contact element 3 has the significant advantage that the heat-conducting 42 can also be electrically insulating and therefore introduced via a located in the insulating 5 filler neck 10 after assembly of the mixture preheater or other electrical heating device according to the invention, the identical heat conduction and 42 simultaneously can be. The use of expensive, electrically conductive materials, eg. As silver-filled silicone adhesives, as Wärmeloitmittel deleted so. As Wärmoleitn .ittel 41 and 42 for a heater according to the invention is z. As silicone grease used, which is due to its Temperatu- re, especially in Gemischvorwärmern for motor vehicles, for temperature ranges from -40 degrees Celsius to +180 degrees Celsius is excellent.

Claims

A self-regulating electric heater having PTC heating elements disposed on the heat-receiving side of a radiator in good thermal and electrical contact with the radiator, a contact element in electrical contact with the PTC heating elements disposed on the upper side remote from the heat-receiving side of the radiator the PTC heating elements is arranged, and with a holding and adjusting element for safe electrical contacting of the PTC heating elements, characterized in that the contact element (3) by a pressure exerted by the holding and adjusting element (5,6) pressure in surface contact with the top (22) of the PTC heating elements (2) is held and formed with such mass and heat capacity that during the heating time until reaching the type aitstemperatur a serving for the defined determination of the heating time amount of heat from the top (22) of the PTC -Heizelemente (2) dissipates.

2. Heating device according to claim 1, characterized in that during the heating time by the contact element (3) from the top (22) of the PTC heating elements (2) dissipated amount of heat equal to the maximum during the heating by the radiator (1) of the Bottom (21) of the PTC heating elements (2) heat dissipated.

3. Heating device according to claim 1 or 2, characterized in that there is a heat conducting means (42) between the PTC heating elements (2) and the surface contact contact element (3).

4. Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the planar surfaces in contact with the upper sides (22) of the PTC heating elements (2) surface areas of the contact element (3) have different heat capacities and have a high Wänneübergangsswiderstand.

5. Heating device according to claim 4, characterized in that the different heat capacities having surface areas of the contact element (3) have different sizes.

6. Heating device according to claim 4, characterized in that the different heat capacities having surface areas of the contact element (3) from each other have different masses.

7. Heating device according to claim 4, characterized in that the different heat capacities having Flächenboreiche the contact element (3) made of different material.

8. Heating device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the high heat transfer resistance between the surface areas is achieved by recesses.

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