DE10060301B4 - Electric resistance heating element with a honeycomb body - Google Patents

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Elektrisches Widerstandsheizelement mit eine extrusionsgeformten Wabenkörper aus keramischem 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 Freilassutallisierung schachbrettartig wechselseitig elektrisch kontaktiert sind, wobei – die Stirnflächen vollständig mit der Stirnflächenmetallisierung (2) bedeckt sind, – die Metallisierungen (3) der Kanalwandungen jeweils nur auf einer Seite bis zur Stirnfläche geführt und dort mit der jeweiligen Stirnflächenmetallisierung (2) in Kontakt stehend angeordnet sind und – auf jeweils der anderen Seite innerhalb des Kanals die Metallisierungen (3) eine gewisse Strecke vor der Stirnfläche enden, wodurch sich eine Isolation ergibt und der Kanalquerschnitt eines jeden Kanals über die gesamte Länge des Wabenkörpers gleichbleibend ist.Electrical resistance heating element with an extrusion-molded honeycomb body made of ceramic resistance material with a positive temperature coefficient of resistance (PTC resistance), the channels through which a medium to be heated must flow have metallized walls that are alternately electrically contacted from the end faces of the honeycomb body with free installation like a checkerboard - the end faces are completely covered with the end face metallization (2), - the metallizations (3) of the channel walls are only guided to the end face on one side and are arranged there in contact with the respective end face metallization (2), and - on the other On the side inside the channel, the metallizations (3) end a certain distance in front of the end face, which results in insulation and the channel cross-section of each channel is constant over the entire length of the honeycomb body.

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 resistor material with a positive temperature coefficient (PTC resistor). Such heating elements use on the one hand the possible, intimate contact of a guided through the channels of the honeycomb body fluid with the place of origin of heat, whereby a good heat transfer is achieved and on the other hand, the current-limiting effect of the PTC resistors, which without any additional control effort automatically any overheating of the resistance heating element prevented. If the operating current can be conducted through the walls of the honeycomb channels quasi transverse to the direction of flow of the fluid, the applicable operating voltage interval increases significantly and depends essentially on the specific material parameters. There is a greater degree of freedom in the design, since with current flow in the channel direction, even at mains voltage, the feasible channel length is very limited.

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 technical solution that has become known, which is not based on a honeycomb body, but this comes quite close in heat exchange principle and also contains PTC resistors, is that cuboidal PTC body are alternately layered with meandering corrugated metal strips and pressed together. The metal strips serve once as a power supply for the PTC body and on the other as a heat exchanger by being traversed across the flat stack of a fluid (company publication "PTC thermistor heating element, type HR 02" David & Bader GmbH, Kandel ). From this arrangement, the two principal deficiencies follow the same: The frictional electrical contact is technologically complex and despite the initially described self-regulation of the PTC resistors due to contact resistance lead to an irregular temperature distribution. The same applies to the heat flow in the direction of the PTC body to the metal strip, and at the same time it is clear that the heat exchange is not directly at the origin of the heat, but indirectly on the corrugated metal strip.

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.Further, a honeycomb body for electrical heating is known in which wavy layers of a typical semiconducting ceramic alternate with those of metal or graphite-containing materials, which are to serve as power supply lines ( Patent Abstract of Japan No. 02 129 887 A ). Apart from the fact that the preferred embodiment of this publication as a resistance material called silicon and titanium carbides and silicides whose electrical resistance decreases with increasing voltage so that they miss the above-mentioned self-limiting effect, such a cohesive composite of different materials is difficult to produce, and the Durability can suffer from the different thermal expansion behavior of the individual components.

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.There is also known a PTC honeycomb body with internally all-round metallized channels for use in an automotive air conditioning system, wherein a contact is indicated on the one hand by a metallization on the outer wall of the honeycomb body and on the other by extending into the initial region of each channel connecting wires ( US 4,866,365 ). Contacting through connecting wires is very problematic with small dimensions of the channels and also disturbs the flow conditions in the channels in a sustainable manner.

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 als 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 internally all-round metallized channels for heating gas flowing therethrough, in which the electrical contacting of the metallized channel walls via likewise metallized, frontal slits in the channel walls, these channels with each other to achieve the required checkerboard polarity in diagonal Connect direction ( DE 30 16 725 A1 ). This technical solution is also unfavorable as production engineering reasons and because of the flow conditions. Furthermore, due to the notch effect of the slots, the strength of the honeycomb body is likely to be affected.

Mit der US 4,107,515 wird ein weiterer PTC-Wabenkörper offenbart, bei dem die stirnseitigen Kontaktierungen zu den Metallisierungen der Kanäle über filigrane Leiterbahnen realisiert werden und die Isolationsbereiche durch Abtrag der Keramik.With the US 4,107,515 another PTC honeycomb body is disclosed in which the front-side contacts to the metallizations of the channels are realized via filigree tracks and the isolation areas by removal of the ceramic.

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 aus schließlich 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 den 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 Kontaktierungsmuster 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 contacting takes place exclusively by a contacting pattern or another, areal contacting arrangement on continuous flat faces, for direct current, according to the known checkerboard arrangement (US Pat. DE 198 04 496 A1 ) and for three-phase current by means of a very specific metallization pattern, preferably but not exclusively in the case of channels with a triangular or hexagonal cross section (US Pat. US 4,717,813 A ). These arrangements have the following disadvantages:
  • - The width of the tracks on the end faces is geometrically limited by the wall thickness of the honeycomb body, in addition, the required isolation distance to the electrically opposite polarity channels is still observed.
  • The internal contacting of the channels in principle enables higher, specific, electrical powers of such resistance heating elements, which, however, inevitably higher currents in the Kontaktierungsmustern are caused, so that the design, the highest current densities occur.
  • - The maximum allowable current load of Kontaktierungsmuster leads to a limitation of the otherwise possible in principle possible power spectrum of the resistance heating elements with honeycomb body.
  • - The manufacturing process for applying the filigree tracks of Kontaktierungsmuster are very expensive, and because of the manufacturing tolerances of both the application method of the tracks and the thickness of the channel walls of the honeycomb body must be made even narrower than would actually be necessary for electrical insulation of the opposite pole.

Mit der US 4,570,046 wird eine Lösung offenbart, mit der im Herstellungsprozeß zufällig entstandenen Kurzschlüsse zwischen den unterschiedlich gepolten Metallisierungsanteilen durch kurze Spannungsimpulse eliminiert werden. Die Isolationsbereiche werden durch Nichtbeschichten der Stirnflächen geschaffen. With the US 4,570,046 discloses a solution with which in the manufacturing process randomly generated short circuits between the differently poled Metallisierungsanteilen be eliminated by short voltage pulses. The isolation areas are created by not coating the end faces.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für elektrische Widerstandsheizelemente der gekannten Art 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 to allow for electrical resistance heating of the known type, the exhaustion of the reserves of such resistance heating elements according to the prior art with respect to the specific electrical power per unit volume.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch beschriebene Erfindung gelöst.This object is solved by the invention described in the claim.

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 each guided only on one side to the end face and are contacted there. On the other hand, the metallization ends a certain distance in front of the face, resulting in an insulation. For low voltage 1 mm is sufficient for this route.
  • - The contacting or non-contacting of the metallization of the walls of the channels changes checkerboard, so that the operating voltage is applied in each case between two adjacent channels.
  • - The inventive continuous metallization of the end faces leads to a much higher current carrying capacity and thus allows the required utilization of the power spectrum of this type of electrical resistance heating elements.
  • - The inventive, continuous metallization of the faces is manufacturing technology much easier than the application of fine trace structures, as provided in the invention closest to the state of the art.

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 fields of application of the invention result in the heating of vehicles, without being limited to such as:
  • - Automotive auxiliary heating, if the waste heat of modern, economical internal combustion engines is no longer sufficient for heating,
  • - fast windscreen heating with cold engine,
  • - sole heating for electric vehicles.

Weitere, ebenfalls nicht einschränkend aufzufassende Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich für kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raum-Heizlüfter.Further, also not restrictive conceivable uses arise for small, self-regulating and fast responding room fan heaters.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die beigefügte Zeichnung ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes.The invention will be described below with reference to an embodiment. The attached drawing is a schematic, perspective view of 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. Regardless of the technical embodiment of the contact-making invention, a suitable honeycomb body material and its production will first be 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 (usually decomposable to oxides compounds such as carbonates, acetates, etc.) are mixed thoroughly and then gently annealed to form the oxides. Then a fine grinding and finally, together with conventional plasticizers, the extrusion molding into honeycomb bodies, followed by ceramic finished 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/mmThe finished ceramic has the following electrical properties:
resistivity 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 accompanying drawing speaks for itself largely. The schematically indicated honeycomb body with a square channel cross-section has gray-shaded metallizations, namely continuously on the faces, of which only one is visible and with the reference numeral 2 is provided, as well as on the walls of the channels and with the reference number 3 Mistake. Essential to the invention are the recessed isolation areas 1 It should be noted that, of course, where no Isolierbereiche 1 are provided as in the channel with the reference number 3 for a good electrical connection between the metallizations 2 and 3 Care must be taken.

Claims (1)

Elektrisches Widerstandsheizelement mit eine extrusionsgeformten Wabenkörper aus keramischem 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, wobei – die Stirnflächen vollständig mit der Stirnflächenmetallisierung (2) bedeckt sind, – die Metallisierungen (3) der Kanalwandungen jeweils nur auf einer Seite bis zur Stirnfläche geführt und dort mit der jeweiligen Stirnflächenmetallisierung (2) in Kontakt stehend angeordnet sind und – auf jeweils der anderen Seite innerhalb des Kanals die Metallisierungen (3) eine gewisse Strecke vor der Stirnfläche enden, wodurch sich eine Isolation ergibt und der Kanalquerschnitt eines jeden Kanals über die gesamte Länge des Wabenkörpers gleichbleibend ist.Electric resistance heating element with an extrusion-molded honeycomb body made of ceramic resistance material with positive temperature coefficient of resistance (PTC resistor), wherein the channels to be heated by a medium to be heated channels metallized walls, from the end faces of the honeycomb body forth leaving the channel cross-sections through a face metallization checkerboard mutually are electrically contacted, wherein - the end faces completely with the end face metallization ( 2 ), - the metallizations ( 3 ) of the channel walls are guided only on one side to the end face and there with the respective end face metallization ( 2 ) are arranged in contact and - on each of the other side within the channel, the metallizations ( 3 ) terminate a certain distance in front of the end face, resulting in an insulation and the channel cross-section of each channel over the entire length of the honeycomb body is constant.
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