DE10012675A1

DE10012675A1 - Elektrisches Durchfluß-Widerstandsheizelement

Info

Publication number: DE10012675A1
Application number: DE2000112675
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Tupaika; Hans-Juergen Voigtsberger
Original assignee: Votup & Co Innovative Keramik
Current assignee: Hermsdorfer Institut fuer Technische Keramik eV HITK
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchfluß-Widerstandsheizelement aus PTC-Keramik zu schaffen, welches besonders zum Erwärmen durchströmender Flüssigkeiten bei kleinem Querschnitt und kleinem Durchsatz geeignet ist und welches leicht in geschlossene Rohrkreisläufe einbaubar ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Durchfluß-Widerstandsheizelement mit einem Profilkörper aus einem Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand) gelöst, welcher in Durchflußrichtung ein im wesentlichen konstantes Profil und Elektrodenschichten aufweist, durch welche der Heizstrom im wesentlichen senkrecht zur Durchflußrichtung durch die Wände des Profilkörpers geleitet wird, wobei diese Wände durchweg eine im wesentlichen gleiche, dem Stromweg entsprechende Dicke haben und welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß vorzugsweise regelmäßig angeordnete, mit Elektrodenschichten (4.1, 4.2) versehen Heiz-Rippen (2) in den Durchflußkanal (3) hineinragen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Durchfluß-Widerstandsheizelement eignet sich besonders, aber nicht ausschließlich, zum Beheizen von Flüssigkeitskreisläufen in der Automobiltechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Durchfluß-Widerstandsheizelement mit ei nem Profilkörper aus einem Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffi zienten des Widerstandes (PTC-Widerstand).

Solche Heizelemente nutzen zum einen die mögliche innige Berührung eines durch die Kanäle des Wabenkörpers geleiteten Fluids mit dem Entstehungsort der Wärme, wodurch ein guter Wärmeübergang erreicht wird und zum anderen die strombegrenzende Wirkung der PTC-Widerstände, welche ohne jeglichen zusätz lichen Regelungsaufwand automatisch jegliche Überhitzung des Widerstandshei zelementes verhindert. Wenn der Betriebsstrom quasi quer zur Strömungsrich tung des Fluids durch die Wandungen der Wabenkörperkanäle geleitet werden kann, vergrößert sich das anwendbare Betriebsspannungsintervall deutlich und ist im wesentlichen von den spezifischen Werkstoffparametern abhängig. Es be steht ein größerer Freiheitsgrad bei der Bemessung, da bei Stromfluß in Kanal richtung, selbst bei Netzspannung, die realisierbare Kanallänge sehr begrenzt ist.

Eine bekannt gewordene technische Lösung, die nicht auf einem Wabenkörper beruht, diesem jedoch im Wärmetauschprinzip recht nahe kommt und auch PTC- Widerstände enthält, besteht darin, daß quaderförmige PTC-Körper abwechselnd mit mäanderförmig gewellten Metallstreifen geschichtet sind und zusammenge preßt werden. Die Metallstreifen dienen einmal als Stromzuführung für die PTC- Körper und zum anderen als Wärmetauscher, indem sie quer zum flächig gestal teten Stapel von einem Fluid durchströmt werden (Firmendruckschrift "PTC- Kaltleiter-Heizregister, Typ HR 02" der Firma David + Bader GmbH, Kandel). Aus dieser Anordnung folgen die beiden prinzipiellen Mängel derselben: Die kraft schlüssige elektrische Kontaktierung ist technologisch aufwendig und kann trotz der eingangs geschilderten Selbstregelwirkung der PTC-Widerstände infolge von Übergangswiderständen zu einer unregelmäßigen Temperaturverteilung führen. Das Gleiche gilt für den Wärmestrom in Richtung vom PTC-Körper zum Me tallstreifen, wobei auch zugleich deutlich wird, daß der Wärmeaustausch nicht di rekt am Entstehungsort der Wärme sondern indirekt an den gewellten Metallstrei fen erfolgt.

Weiter ist ein Wabenkörper zum elektrischen Heizen bekannt, bei dem gewellte Lagen einer typisch halbleitenden Keramik mit solchen aus Metall oder gra phithaltigen Stoffen abwechseln, die als Stromzuführungen dienen sollen (Patent Abstract of Japan Nr. 02 129 887 A). Abgesehen davon, daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Veröffentlichung als Widerstandsmaterial Silizium- und Titancarbide und -silicide nennt, deren elektrischer Widerstand mit steigen der Spannung abnimmt, so daß sie die oben erwähnte Selbstbegrenzungswirkung vermissen lassen, ist ein solcher stoffschlüssiger Verbund verschiedener Werk stoffe schwierig herstellbar und die Haltbarkeit kann unter dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten der einzelnen Bestandteile leiden.

Es ist auch ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zur Anwendung in einer Automobil-Klimaanlage bekannt, wobei eine Kontaktierung zum einen durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Wabenkörpers und zum anderen durch in den Anfangsbereich eines jeden Kanals hinein reichende Anschlußdrähte angedeutet ist (US 4.866.365). Eine Kontaktierung durch An schlußdrähte ist bei kleinen Abmessungen der Kanäle fertigungstechnisch sehr problematisch und stört auch die Strömungsverhältnis in den Kanälen in nachhal tiger Weise.

Schließlich ist ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zum Aufheizen hindurchströmender Gase bekannt, bei welchem die elektrische Kontaktierung der metallisierten Kanalwandungen über gleichfalls metallisierte, stirnseitige Schlitze in den Kanalwandungen erfolgt, wobei diese die Kanäle un tereinander zur Verwirklichung der erforderlichen Schachbrett-Polarität in diago naler Richtung verbinden (DE-OS 30 16 725). Diese technische Lösung ist gleichfalls aus fertigungstechnischen Gründen und wegen der Strömungsverhält nisse nicht optimal. Auch dürfte wegen der Kerbwirkung der Schlitze auch die Festigkeit des Wabenkörpers beeinträchtigt werden.

Die genannten Kontaktierungsprobleme sind bei einem Wabenkörper aus PCT- Keramik dadurch gelöst worden, daß die allseitig metallisierten Wandungen der Kanäle durch ausschließlich stirnseitig strukturierte Flächen- und Kantenmetalli sierungsmuster alternierend an die beiden Pole einer Stromquelle angeschlossen sind (DE 198 04 496 A1). Nachteilig an dieser besonders für einen großen Durch satz zu erwärmender gasförmiger Medien geeigneten technischen Lösung ist die Tatsache, daß sie zur Erwärmung von Flüssigkeiten insbesondere bei geringem Durchsatz vor allem wegen des hohen Strömungswiderstandes von Wabenkör pern weniger geeignet ist. Weiterhin ist der Einbau in Flüssigkeitskreisläufe we gen der abzudichtenden Anschlüsse problematisch.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Durchfluß- Widerstandsheizelement aus PTC-Keramik zu schaffen, welches besonders zum Erwärmen durchströmender Flüssigkeiten bei kleinem Querschnitt und kleinem Durchsatz geeignet ist und welches leicht in geschlossene Rohrkreisläufe ein baubar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beiliegenden Patentansprüchen beschriebe ne Erfindung gelöst.

Die vorzugsweise rohrförmige Ausführung mit in den Durchflußkanal hineinrei chenden mit Elektrodenschichten versehenen Heiz-Rippen, welche gleichzeitig als Heizkörper und als Wärmetauscher funktioniert, bewirkt eine sehr gute Durchmischung der durchströmenden Flüssigkeit, d. h. auch eine homogene End- Temperatur derselben.

Die Rohrgeometrie, ggf. mit Gehäuse- und/oder Anschlußarmaturen einschließ lich von Anschlußgewinden aus sogenannter Polymerkeramik oder aus Kunst stoff, die durch Umspritzen stoffschlüssig mit dem Durchfluß-Widerstandsheiz element verbunden werden können, erleichtert den Einbau in Rohrleitungssyste me.

Bevorzugte Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Durchfluß-Widerstandheiz elementes sind demzufolge beispielsweise das Vorheizen von Kraftstoffen in Kraftfahrzeugen und in Ölheizanlagen, von Waschflüssigkeit in Scheibenwasch anlagen bzw. sonstiger Flüssigkeiten im Labor und Dentalbereich.

Als Schutzschicht gegen abrasive und chemische Schädigungen der Elektroden schichten und auch des PTC-Profilkörpers wird entsprechend Anspruch 6 vorteil hafterweise ein sogenannter Nano-Kompositlack nach Patentanmeldung 199 49 328.6-43 verwendet.

Zur Herstellung eines Gehäuses mit Anschlußarmaturen, wie beispielsweise mit Anschlußgewinden, wird nach Anspruch 7 vorteilhafterweise eine sogenannte Polymerkeramik nach Patentanmeldung 196 45 634.7-45 verwendet, was einen guten Stoffschluß mit einem keramikähnlichen Material garantiert, ohne daß der PTC-Profilkörper durch die Temperaturen, die bei Brennen einer "echten" Kera mik auftreten würden, geschädigt oder zerstört würde.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beige fügte Zeichnung stellt eine schematische perspektivische Ansicht eines erfin dungsgemäßen elektrischen Durchfluß-Widerstandsheizelementes dar.

Ein rohrförmiger zylindrischer Profilkörper 1 besteht aus einem keramischen PTC- Werkstoff, dessen Zusammensetzung etwa der chemischen Summenformel

La_0,0028 Ca_0,22 Ba_0,7772 Ti_1,015 Si_0,02 Mn_0,0006

entspricht. Die Ausgangsstoffe (meist zu Oxiden zersetzbare Verbindungen, wie Carbonate, Acetate usw.) werden intensiv gemischt und dann zur Bildung der Oxide schonend geglüht. Dann folgt eine Feinmahlung und schließlich zusammen mit üblichen Plastifikatoren die Extrusionsformgebung zu Wabenkörpern gefolgt vom keramischen Fertigbrand.

Die fertige Keramik hat folgende elektrischen Eigenschaften:
spezifischer Widerstand bei 20°C: C 50 Ωcm
R_max/R_min: 2,2 × 10⁵
T_C: 100°C
T_max: 232°C
Spannungsfestigkeit ≧ 150 V/mm.

Der Profilkörper 1 hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 15 mm und eine Länge von 40 mm. Die für den Stromfluß bestimmende Dicke der Wände einschließlich der erfindungswesentlichen, in radialer Richtung nach innen ragen den Heiz-Rippen 2 beträgt einheitlich 2 mm. Erfindungswesentlich ist weiterhin, daß diese Heiz-Rippen der rohrartigen Profilkörper 1 nicht, wie beim Stand der Technik entsprechend der Patentanmeldung 198 04 496.8 vollständig in separate Kanäle aufteilen, sondern in der Mitte einen Verbindungsraum 3 belassen, was für die Verwirbelung einer durchströmenden Flüssigkeit und damit für den gleich mäßigen Wärmeübergang vom Widerstandsheizelement auf die durchströmende Flüssigkeit von Bedeutung ist.

Der Profilkörper 1 ist in der gezeigten Weise innen und außen mit metallischen Elektrodenschichten belegt und zwar mit durch voll ausgezogene dünne Um fangslinien gekennzeichneten Innen-Elektrodenschichten 4.1 und Außen-Elektro denschichten 4.2 einer ersten Polarität sowie mit durch gestrichelte dünne Um fangslinien gekennzeichneten Innen-Elektrodenschichten 5.1 und Außen-Elektro denschichten 5.2 einer zweiten Polarität. Die gezeigte alternierende, zyklisch ver schobene wechselseitige Anordnung der Elektrodenschichten 4.1, 4.1, 5.1 und 5.2 ergibt, wie an Hand der Zeichnung leicht einzusehen ist, eine sehr gleichmä ßige Stromverteilung über den gesamten Querschnitt des Profilkörpers 1. Für das spezielle, oben beschriebene Ausführungsbeispiel ergibt sich bei 12 V, was der typischen Bordspannung eines Kraftfahrzeuges entspricht, eine umgesetzte Lei stung von 100 W.

Claims

1. Elektrisches Durchfluß-Widerstandsheizelement mit einem Profilkörper aus ei nem Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstan des (PTC-Widerstand), welcher in Durchflußrichtung ein im wesentlichen konstan tes Profil und Elektrodenschichten aufweist, durch welche der Heizstrom im we sentlichen senkrecht zur Durchflußrichtung durch die Wände des Profilkörpers geleitet wird, wobei diese Wände durchweg eine im wesentlichen gleiche, dem Stromweg entsprechende Dicke haben, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugs weise regelmäßig angeordnete, mit Elektrodenschichten (4.1, 4.2) versehene Heiz-Rippen (2) in den Durchflußkanal (3) hineinragen.

2. Widerstandsheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilkörper (1) ein Hohlzylinder mit radial nach innen ragenden Heiz-Rippen (2) ist.

3. Widerstandheizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Außenwände des Profilkörpers (1) mit Elektrodenschichten (4.2, 5.2) versehen sind.

4. Widerstandsheizelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein durch zwei Rippen (2) begrenzter Innensektor mit einer Elektro denschicht (4.1 bzw. 5.1) und der entsprechende Außensektor des Profilkörpers (1) mit einer Elektrodenschicht (5.2 bzw. 4.2) entgegengesetzter Polarität verse hen ist.

5. Widerstandsheizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschichten (4.1 und 4.2 bzw. 5.1 und 5.2) der Innen- und Außensekto ren jeweils zyklisch um einen Sektor verschoben miteinander verbunden sind.

6. Widerstandsheizelement nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die ggf. mit Elektrodenschichten (4.1, 4.2, 5.1, 5.2) versehenen Innen- und/oder Außenflächen des Profilkörpers (1) mit einem Lack beschichtet sind, welcher dreidimensionale Netzwerke aus organischen und aus anorganischen Siliziumverbindungen enthält, wobei die maximalen Abmessungen der Be reiche, die ausschließlich aus einer der Verbindungen bestehen in der Größen ordnung von Nanometern liegen (sogenannter Nano-Kompositlack).

7. Widerstandsheizelement nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß es stoffschlüssig mit Gehäuse- und/oder Anschlußarmaturen teilen aus einem keramikähnlichen anorganisch/organischen Verbundwerkstoff aus Pulver eines Keramikbildners, das unterhalb seiner Sintertemperatur mittels organischer Silziumverbindung unter Aufbau chemischer Bindungen verfestigt wurde (sogenannte Polymerkeramik) verbunden ist.

8. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß es stoffschlüssig mit Gehäuse- und/oder Anschlußarmaturenteilen aus Kunststoff verbunden ist.