DE10060301A1 - Honeycomb PTC electrical heating element, has chequerboard pattern of internal wall metallization, with insulating regions - Google Patents

Honeycomb PTC electrical heating element, has chequerboard pattern of internal wall metallization, with insulating regions

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Abstract

The end faces (2) are completely covered by metallization. Internal channel walls (3) are metallized selectively as follows: in a chequerboard pattern, a recessed insulating region (1) is provided just inside alternate channel ends.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten (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, zusätzlichen Regelungsaufwand automatisch jegliche Überhitzung des Widerstandsheizelementes verhindert. Wenn der Betriebsstrom quasi quer zur Strömungsrichtung 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 besteht ein größerer Freiheitsgrad bei der Bemessung, da bei Stromfluß in Kanalrichtung, selbst bei Netzspannung, die realisierbare Kanallänge sehr begrenzt ist. The invention relates to an electrical resistance heating element with a Honeycomb body made of resistance material with a positive temperature coefficient (PTC-resistance). On the one hand, such heating elements use the possible intimate contact of a fluid passed through the channels of the honeycomb body with the Place of origin of the heat, whereby a good heat transfer is achieved and to others the current limiting effect of the PTC resistors, which without any additional regulation effort automatically any overheating of the Resistance heating element prevented. If the operating current is quasi transverse to the Direction of flow of the fluid passed through the walls of the honeycomb body channels the applicable operating voltage interval increases clear and essentially depends on the specific material parameters. There is a greater degree of freedom in the design, since when the current flows in Channel direction, even with mains voltage, the realizable channel length is very limited is.

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 zusammengepreßt werden. Die Metallstreifen dienen einmal als Stromzuführung für die PTC- Körper und zum anderen als Wärmetauscher, indem sie quer zum flächig gestalteten 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 kraftschlüssige, 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 Metallstreifen, wobei auch zugleich deutlich wird, daß der Wärmeaustausch nicht direkt am Entstehungsort der Wärme, sondern indirekt an den gewellten Metallstreifen erfolgt. A well-known, technical solution that is not on a honeycomb body based, but comes very close to this in the heat exchange principle and also PTC Containing resistances is that the cuboid PTC body alternately are layered with meandering corrugated metal strips and be pressed together. The metal strips serve once as power supply for the PTC Body and on the other hand as a heat exchanger by being transverse to the flat fluid flows through the designed stack (company publication "PTC- PTC thermistor, type HR 02 "from David & Bader GmbH, Kandel). Aus this arrangement is followed by the two principal shortcomings of the same: the Non-positive, electrical contacting is technologically complex and can despite the self-regulating effect of the PTC resistors as a result of Contact resistances lead to an irregular temperature distribution. The same applies to the heat flow in the direction from the PTC body to the Metal strips, which also makes it clear that the heat exchange is not directly at the source of the heat, but indirectly at the corrugated Metal strips are made.

Weiter ist ein Wabenkörper zum elektrischen Heizen bekannt, bei dem gewellte Lagen einer typisch halbleitenden Keramik mit solchen aus Metall oder graphithaltigen 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 steigender Spannung abnimmt, so daß sie die oben erwähnte Selbstbegrenzungswirkung vermissen lassen, ist ein solcher stoffschlüssiger Verbund verschiedener Werkstoffe schwierig herstellbar, und die Haltbarkeit kann unter dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten der einzelnen Bestandteile leiden. Furthermore, a honeycomb body for electrical heating is known, in which corrugated Layers of a typical semiconducting ceramic with those made of metal or Alternate graphite-containing substances that are to serve as power supplies (patent Abstract of Japan No. 02 129 887 A). Aside from being the preferred Embodiment of this publication as a resistance material silicon and Titanium carbides and silicides, whose electrical resistance increases with increasing Tension decreases so that it has the self-limiting effect mentioned above such a cohesive combination is different Materials difficult to manufacture, and durability can vary among the Thermal expansion behavior of the individual components suffer.

Es ist auch ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zur Anwendung in einer Automobil-Klimanalage bekannt, wobei eine Kontaktierung zum einen durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Wabenkörpers und zum anderen durch in den Anfangsbereich eines jeden Kanals hineinreichende Anschlußdrähte angedeutet ist (US 4.866.365). Eine Kontaktierung durch Anschlußdrähte ist bei kleinen Abmessungen der Kanäle fertigungstechnisch sehr problematisch und stört auch die Strömungsverhältnisse in den Kanälen in nachhaltiger Weise. It is also a PTC honeycomb body with channels metallized on all sides Application in an automotive air conditioning system is known, wherein a contact on the one hand by a metallization on the outer wall of the honeycomb body and on the other hand, by reaching into the starting area of each channel Connection wires is indicated (US 4,866,365). A contact through With small dimensions of the ducts, connecting wires are very technical in terms of production problematic and also disrupts the flow conditions in the channels sustainable way.

Weiterhin ist ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zum Aufheizen hindurchströmender Gas bekannt, bei welchem die elektrische Kontaktierung der metallisierten Kanalwandungen über gleichfalls metallisierte, stirnseitige Schlitze in den Kanalwandungen erfolgt, wobei diese die Kanäle untereinander zur Verwirklichung der erforderlichen Schachbrett-Polarität in diagonaler Richtung verbinden (DE 30 16 725 A1). Diese technische Lösung ist gleichfalls aus fertigungstechnischen Gründen und wegen der Strömungsverhältnisse unvorteilhaft. Weiterhin dürfte wegen der Kerbwirkung der Schlitze auch die Festigkeit des Wabenkörpers beeinträchtigt werden. Furthermore, a PTC honeycomb body with channels metallized on all sides on the inside Heating gas flowing through is known, in which the electrical Contacting the metallized channel walls via likewise metallized, Frontal slots in the channel walls takes place, these the channels with each other to achieve the required checkerboard polarity in the diagonal direction connect (DE 30 16 725 A1). This technical solution is also over manufacturing reasons and disadvantageous because of the flow conditions. Furthermore, due to the notch effect of the slots, the strength of the Honeycomb body are affected.

Schließlich sind Widerstandsheizelemente der beschriebenen Art bekannt, bei denen die Kontaktierung ausschließlich durch ein Kontaktierungsmuster bzw. eine andere, flächenhafte Kontaktierungsanordnung auf durchgehend ebenen Stirnflächen erfolgt, und zwar für Gleichstrom, entsprechend der bekannten Schachbrettanordnung (DE 198 04 496 A1) und für Drehstrom mittels ganz spezieller Metallisierungsmuster, vorzugsweise, aber nicht ausschließlich bei Kanälen mit dreieckigem oder sechseckigem Querschnitt (US 4.717.813 A). Diese Anordnungen haben folgende Nachteile:

  • - Die Breite der Leiterbahnen auf den Stirnflächen ist geometrisch durch die Wanddicke des Wabenkörpers begrenzt, wobei zusätzlich noch der erforderliche Isolationsabstand zu den elektrisch gegenpoligen Kanälen einzuhalten ist.
  • - Die Innenkontaktierung der Kanäle ermöglicht prinzipiell höhere, spezifische, elektrische Leistungen derartiger Widerstandsheizelemente, wodurch jedoch zwangsläufig höhere Ströme in den Kontaktierungsmustern bedingt sind, so daß dort konstruktionsbedingt die höchsten Stromdichten auftreten.
  • - Die maximal zulässige Strombelastung der Kontaktierungsmuster führt zu einer Begrenzung des ansonsten prinzipiell möglichen Leistungsspektrums der Widerstandsheizelemente mit Wabenkörper.
  • - Die Fertigungsverfahren zum Aufbringen der filigranen Leiterbahnen der Kontatierungsmuster sind sehr aufwendig, und wegen der Fertigungstoleranzen sowohl des Aufbringungsverfahrens der Leiterbahnen als auch der Dicke der Kanalwandungen der Wabenkörper müssen jene noch schmaler ausgeführt werden, als dies zur elektrischen Isolation des Gegenpols eigentlich notwendig wäre.
Finally, resistance heating elements of the type described are known, in which the contact is made exclusively by means of a contacting pattern or another planar contacting arrangement on continuously flat end faces, specifically for direct current, in accordance with the known checkerboard arrangement (DE 198 04 496 A1) and for three-phase current using entirely Special metallization pattern, preferably, but not exclusively, for channels with a triangular or hexagonal cross section (US 4,717,813 A). These arrangements have the following disadvantages:
  • - The width of the conductor tracks on the end faces is geometrically limited by the wall thickness of the honeycomb body, with the required insulation distance from the electrically opposite-pole channels also being maintained.
  • - The internal contacting of the channels in principle enables higher, specific, electrical outputs of such resistance heating elements, but this necessarily means higher currents in the contacting patterns, so that the highest current densities occur there due to the design.
  • - The maximum permissible current load of the contacting pattern leads to a limitation of the otherwise possible performance spectrum of the resistance heating elements with honeycomb body.
  • - The manufacturing processes for applying the filigree conductor tracks of the contamination pattern are very complex, and because of the manufacturing tolerances of both the application process of the conductor tracks and the thickness of the channel walls of the honeycomb body, those must be made even narrower than would actually be necessary for the electrical insulation of the opposite pole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einfacheren Fertigungsverfahren für elektrische Widerstandsheizelemente der genannten Art sowie die Ausschöpfung der Reserven solcher Widerstandsheizelemente nach dem Stand der Technik bezüglich der spezifischen, elektrischen Leistung pro Volumeneinheit zu ermöglichen. The invention has for its object the simpler manufacturing process for electrical resistance heating elements of the type mentioned and the exhaust the reserves of such resistance heating elements according to the prior art with regard to the specific electrical power per unit volume enable.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst. This object is achieved by the invention described in the claims solved.

Folgende Vorteile werden durch die Erfindung erzielt:

  • - Die Metallisierungen der Kanalwandungen werden jeweils nur auf einer Seite bis zur Stirnfläche geführt und sind dort kontaktiert. Auf der anderen Seite endet die Metallisierung eine gewisse Strecke vor der Stirnfläche, wodurch sich eine Isolation ergibt. Bei Kleinspannung ist 1 mm für diese Strecke ausreichend.
  • - Die Kontaktierung bzw. Nichtkontaktierung der Metallisierung der Wandungen der Kanäle wechselt schachbrettartig, so daß die Betriebsspannung jeweils zwischen zwei benachbarten Kanälen anliegt.
  • - Die erfindungsgemäße durchgehende Metallisierung der Stirnflächen führt zu einer wesentlich höheren Stromtragfähigkeit und ermöglicht damit die geforderte Ausnutzung des Leistungsspektrums dieses Typs von elektrischen Widerstandsheizelementen.
  • - Die erfindungsgemäße, durchgehende Metallisierung der Stirnflächen ist fertigungstechnisch wesentlich einfacher als das Aufbringen feiner Leiterbahnstrukturen, wie es beim der Erfindung am nächsten kommenden Stand der Technik vorgesehen ist.
The following advantages are achieved by the invention:
  • - The metallizations of the channel walls are only led to the end face on one side and are contacted there. On the other hand, the metallization ends a certain distance in front of the end face, which results in insulation. With low voltage, 1 mm is sufficient for this distance.
  • - The contacting or non-contacting of the metallization of the walls of the channels changes like a chessboard, so that the operating voltage is present between two adjacent channels.
  • - The continuous metallization of the end faces according to the invention leads to a significantly higher current carrying capacity and thus enables the required utilization of the power spectrum of this type of electrical resistance heating elements.
  • The continuous metallization of the end faces according to the invention is much simpler in terms of production technology than the application of fine conductor track structures, as is provided in the prior art closest to the invention.

Interessante Anwendungsgebiete der Erfindung ergeben sich bei der Beheizung von Fahrzeugen, ohne sich darauf zu beschränken, wie beispielsweise:

  • - Kfz.-Zusatzheizung, wenn die Abwärme moderner, sparsamer Verbrennungsmotoren nicht mehr zur Heizung ausreicht,
  • - schnelle Frontscheibenheizung bei kaltem Motor,
  • - alleinige Heizung bei Elektrofahrzeugen.
Interesting areas of application of the invention arise in the heating of vehicles without being limited to them, for example:
  • - Additional vehicle heating if the waste heat from modern, economical internal combustion engines is no longer sufficient for heating,
  • - fast windscreen heating when the engine is cold,
  • - sole heating for electric vehicles.

Weitere, ebenfalls nicht einschränkend aufzufassende Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich für kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raum-Heizlüfter. Further, also not to be interpreted as restrictive Possible uses arise for small, self-regulating and quickly responsive Space heaters.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die beigefügte Zeichnung ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes. The invention is illustrated below using an exemplary embodiment described. The accompanying drawing is a schematic perspective view a resistance heating element according to the invention.

Unabhängig von der technischen Ausführung der erfindungswesentlichen Kontaktierung wird zunächst beispielhaft ein geeigneter Wabenkörperwerkstoff und dessen Herstellung beschrieben. Ein solcher Werkstoff ist ein Keramikwerkstoff, welcher der folgenden, chemische Summenformel entspricht:

La0,0028 Ca0,22 Ba0,7772 Ti1,015 Si0,02 Mn0,0006.
Irrespective of the technical design of the contacting essential to the invention, a suitable honeycomb body material and its production are first described by way of example. Such a material is a ceramic material, which corresponds to the following chemical formula:

La 0.0028 Ca 0.22 Ba 0.7772 Ti 1.015 Si 0.02 Mn 0.0006 .

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. The starting materials (mostly compounds that can be decomposed to oxides, such as carbonates, Acetates etc.) are mixed intensively and then gently to form the oxides annealed. This is followed by a fine grinding and finally together with usual Plasticizers extrusion molding into honeycomb bodies, followed by finished ceramic firing.

Die fertige Keramik hat folgende, elektrische Eigenschaften:

spezifischer Widerstand bei 20°C: 50 Ωcm
Rmax/Rmin: 2,2 × 105
Tc: 100°C
Tmax: 232°C
Spannungsfestigkeit: > 150 V/mm
The finished ceramic has the following electrical properties:

specific resistance at 20 ° C: 50 Ωcm
R max / R min : 2.2 × 10 5
Tc: 100 ° C
T max : 232 ° C
Dielectric strength:> 150 V / mm

Die beigefügte Zeichnung spricht weitgehend für sich selbst. Der schematisch angedeutete Wabenkörper mit quadratischem Kanalquerschnitt weist grau schattierte Metallisierungen auf, nämlich durchgehend auf den Stirnflächen, von denen naturgemäß nur eine sichtbar und mit der Bezugszahl 2 versehen ist, sowie auf den Wandungen der Kanäle und mit der Bezugszahl 3 versehen. Erfindungswesentlich sind die ausgesparten Isolationsbereiche 1, wobei anzumerken ist, daß selbstverständlich dort, wo keine Isolierbereiche 1 vorgesehen sind, wie in dem Kanal mit der Bezugszahl 3 für eine gute, elektrische Verbindung zwischen den Metallisierungen 2 und 3 Sorge zu tragen ist. The attached drawing largely speaks for itself. The schematically indicated honeycomb body with a square channel cross section has gray shaded metallizations, namely continuously on the end faces, of which only one is naturally visible and provided with the reference number 2 , as well as on the walls of the channels and with the reference number 3 provided. Essential to the invention are the recessed isolation regions 1, wherein it is noted that, of course, where there is no isolation regions are provided 1, is to wear as in the channel by the reference numeral 3 for a good electrical connection between the metallizations 2 and 3 concern.

Claims (1)

Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC- Widerstand), wobei die von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle metallisierte Wandungen aufweisen, die von den Stirnflächen des Wabenkörpers her unter Freilassung der Kanalquerschnitte durch eine Stirnflächenmetallisierung schachbrettartig wechselseitig elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Metallisierung (3) der Wandungen der Kanäle entsprechend dem Schachbrettmuster wechselseitig von den Stirnflächen her ein Isolationsbereich (1) ausgespart ist, während die Stirnflächenmetallisierung (2) die Stirnflächen vollständig bedeckt. Electrical resistance heating element with a honeycomb body made of resistance material with a positive temperature coefficient of resistance (PTC resistance), wherein the channels to be flowed through by a medium to be heated have metallized walls which make electrical contact with each other from the end faces of the honeycomb body, leaving the channel cross sections open by means of a faceplate metallization are characterized in that in the metallization ( 3 ) of the walls of the channels, in accordance with the checkerboard pattern, an isolation region ( 1 ) is alternately left out from the end faces, while the end face metallization ( 2 ) completely covers the end faces.
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