DE102012104917A1

DE102012104917A1 - Elektrische Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102012104917A1
Application number: DE201210104917
Authority: DE
Inventors: Michael Caspers
Original assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: DE102012104917B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit wenigstens einem Heizelement (2), das zwei gegenüberliegende Kontaktseiten aufweist, an denen es elektrisch kontaktiert ist, wenigstens einem Kontaktelement (4), das an einer der beiden Kontaktseiten des Heizelements (2) anliegt, einem Gussgehäuse (1) aus Metall, das einen Innenraum umgibt, in dem das Heizelement (2) angeordnet ist, wobei der Innenraum von einer oberen Wand (1a) und einer unteren Wand (1b) begrenzt ist, und die obere Wand (1a) und die untere Wand (1b) über zwei gegenüberliegende Seitenwände (1c) miteinander verbunden sind, wobei das Heizelement (2) mit einer seiner beiden Kontaktseiten der oberen Wand (1a) und mit seiner anderen Kontaktseite der unteren Wand (1b) zugewandt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Abstand von der unteren Wand zu der oberen Wand in Längsrichtung der gegenüberliegenden Seitenwände (1c) verringert und in dem Innenraum ein Ausgleichselement (6) angeordnet ist, dessen Dicke in Längsrichtung der gegenüberliegenden Seitenwände (1c) abnimmt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine solche Heizeinrichtung ist aus der DE 10 2009 012 982 A1 bekannt.
Keramische Heizelemente können in Metallgehäusen wirksam vor einem zu erwärmenden Fluid geschützt werden. Wichtig für Heizeinrichtungen ist eine gute Wärmeankopplung des Heizelements an das umgebende Metallgehäuse. Üblicherweise werden deshalb Gehäuse nach dem Einbringen keramischer Heizelemente verpresst, so dass von Heizelementen erzeugte Wärme gut an das Metallgehäuse abgegeben werden kann.
Zum Schutz vor chemisch aggressiven Fluiden, beispielsweise bei Heizeinrichtungen für Flüssigkeitstanks, können die Metallgehäuse zusätzlich mit einem Kunststoffmantel versehen werden. Aus der DE 10 2005 036 430 A1 ist eine Tankheizung mit einem kunststoffummantelten Metallgehäuse bekannt, das als ein Strangpressprofil hergestellt ist. In der DE 10 2009 012 982 A1 wird die Möglichkeit angesprochen, kunststoffummantelte Metallgehäuse auch als Gussgehäuse herzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie kostengünstig eine Heizeinrichtung geschaffen werden kann, bei der von einem keramischen Heizelement erzeugte Wärme gut an ein Metallgehäuse abgegeben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heizeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist, dass sich der Abstand von der unteren Wand zu der oberen Wand des Gussgehäuses in Längsrichtung der Seitenwände verringert. Ausgehend von einer Gehäuseöffnung nimmt die Höhe des Innenraums, in dem das Heizelement angeordnet ist, also ab. Mit anderen Worten hat also der Innenraum, in welchem wenigstens ein, bevorzugt keramisches, Heizelement angeordnet ist, eine sich keilförmig verjüngende Form.
Trotz der Schräglage der unteren Wand zu der oberen Wand können für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung handelsüblich PTC Heizelemente verwendet werden, die als Quader oder Scheiben mit zueinander parallelen Kontaktseiten ausgebildet sind. Nämlich indem der sich in Längsrichtung der Seitenwände ändernde Abstand der unteren Wand von der oberen Wand durch eine sich ändere Dicke eines in dem Metallgehäuse angeordneten Bauteils ausgeglichen wird, beispielsweise durch ein keilförmiges Ausgleichselement.
Indem in dem Innenraum ein Ausgleichselement angeordnet ist, dessen Dicke in Längsrichtung der Seitenwände abnimmt, kann der unterschiedliche Abstand zwischen der unteren Wand und der oberen Wand ausgeglichen werden, so dass in dem Innenraum des Gussgehäuses kein die Wärmeleitung behindernder Luftspalt bleibt. Das Ausgleichselement kann in das Kontaktelement integriert oder ein separates Bauteil sein, das in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Wenn das Kontaktelement, eines der Kontaktelemente oder beide Kontaktelemente Höhendifferenzen zwischen vorderen und hinteren Abschnitten des Innenraums ausgleichen sollen, ist bevorzugt, dass das Kontaktelement eine Stärke hat, die in Längsrichtung der Seitenwände des Gussgehäuses abnimmt.
Das Gussgehäuse einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist von einem Kunststoffmantel umgeben und dadurch vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Flüssigkeitseinwirkung, geschützt. Ein Gussgehäuse hat vorteilhaft rundere Kanten als ein Strangpressprofil. Ein Kunststoffmantel lässt sich deshalb auf ein Gussgehäuse besser aufbringen und haftet darauf besser als auf einem Strangpressprofil.
Indem sich der Innenraum des Gussgehäuses keilförmig verjüngt, lassen sich ein Heizelement oder mehrere Heizelemente leichter in den Innenraum des Gehäuses einbringen. Das Gussgehäuse kann an seinem dünneren Ende durch eine Seitenwand verschlossen sein. Möglich ist es auch, dass es einen durchgehenden Kanal aufweist.
Das Gussgehäuse einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung kann nach dem Einbringen des Heizelements verpresst werden, um eine verbesserte Wärmeankopplung des Heizelements an das Gussgehäuse zu erreichen. Bei Verpressen werden zwei gegenüberliegende Seitenwände des Gussgehäuses plastisch verformt. Durch ein Ausgleichselement lässt sich erreichen, dass die Seitenwände beim Verpressen gleichmäßig über ihre Länge verformt werden. Durch den Einsatz eines Ausgleichselements lässt sich deshalb die Belastung der Seitenwände bei Verpressen reduzieren und der Gefahr einer Rissbildung entgegenwirken. Nach dem Verpressen kann das Gussgehäuse mit Kunststoff ummantelt werden.
Das Heizelement kann aber auch durch ein Ausgleichselement in dem Gussgehäuse verspannt und so auch ohne Verpressen des Gehäuses eine gute Wärmeankopplung des Gussgehäuses an das Heizelement erreicht werden.
Heizelement und Kontaktelement können von einem Montageelement aus Kunststoff zu einer vormontierten Einheit verbunden werden, die sich gut handhaben lässt. Das Montageelement kann beispielsweise eine Klebstoffschicht sein, die das Kontaktelement an dem Heizelement hält. Das Montageelement kann beispielsweise auch eine Folie sein, mit der Heizelement und Kontaktelement umwickelt sind, oder ein Montagerahmen sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse aus einer Aluminiumbasislegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung ist. Aluminiumlegierungen haben eine vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit. Aluminium-Silizium-Legierungen kombinieren eine gute Wärmeleitfähigkeit mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, die für ein Verpressen des Gehäuses günstig sind. Zudem lassen sich Aluminium-Silizium-Legierungen gut gießen und können hohe mechanische Spannung aushalten, so dass eine hohe Anpresskraft, mit der das wenigstens eine keramische Heizelement in dem Gehäuse verpresst ist, über lange Zeit erhalten bleiben kann.
Besonders bevorzugt beträgt der Siliziumgehalt der Aluminiumbasislegierung 5 Gew.-% bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 7 Gew.-% bis 11 Gew.-%. Bevorzugt ist weiterhin, dass die übrigen Bestandteile der Aluminium-Silizium-Legierung weniger als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 3 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-% ausmachen. Die Aluminium-Silizium-Legierung, aus der das Gehäuse gegossen ist, enthält bevorzugt 0,1 bis 1 Gew.-% Eisen, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,8 Gew.-% Eisen. Bevorzugt ist in der Aluminium-Silizium-Legierung Strontium mit einem Gewichtsanteil von 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% enthalten. Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Strontiumgehalt größer als der Eisengehalt ist. Eine solche Legierung lässt sich gut verpressen und hat eine vorteilhafte Wärmeleitung.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden gegenüberliegenden Seitenwände jeweils wenigstens einen gekrümmten Abschnitt aufweisen, um das Verpressen des Gussgehäuses zu erleichtern. Der gekrümmte Abschnitt definiert eine Sollbiegestelle, an der sich die Seitenwand beim Verpressen des Gehäuses biegt. Der gekrümmte Abschnitt kann nach innen oder nach außen gekrümmt sein, d. h. eine Ausbuchtung oder eine Einbuchtung bilden. Eine Seitenwand kann auch mehrere gekrümmte Abschnitte aufweisen, beispielsweise S-förmig ausgebildet sein, oder auch nur teilweise gekrümmt sein.
Bevorzugt weist die Wandstärke in dem gekrümmten Abschnitt zwischen der oberen Wand und der unteren Wand ein Minimum auf und nimmt von diesem Minimum aus sowohl zur oberen Wand als auch zur unteren Wand hin zu. Dadurch wird eine durch die Krümmung vorgegebene Sollbiegestelle noch weiter geschwächt, so dass sich das Gehäuse noch leichter verpressen lässt. Das Minimum kann ein lokales oder ein globales Minimum sein. Um durch eine Sollbiegestelle ein Verpressen mit geringem Kraftaufwand zu ermöglichen, ist ein Minimum der Wandstärke nicht erforderlich. Die Materialstärke sollte an der Sollbiegestelle aber nicht größer als oberhalb und unterhalb davon sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die obere Wand und/oder die untere Wand einen Bereich mit einer konvexen Außenfläche aufweist. Durch eine Wölbung der Außenfläche nach außen, kann die Stabilität der Wand erhöht werden, so dass bei Verpressen des Gehäuses die Gefahr einer unerwünschten Verformung der oberen bzw. unteren Gehäusewand reduziert ist. Durch eine konvexe Außenfläche lässt sich ein Anpressdruck wirksam auf die gegenüberliegenden Seitenwände ableiten, insbesondere wenn die Innenfläche der oberen bzw. unteren Wand nicht oder weniger gekrümmt ist, also die Wandstärke zu den gegenüberliegenden Seitenwänden hin abnimmt. Bevorzugt ist die Innenfläche der oberen bzw. der unteren Wand eben.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse ein Rohrgehäuse ist. In einem Rohrgehäuse lässt sich vorteilhaft eine größere Anzahl von keramischen Heizelementen hintereinander anordnen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse eine Breite hat, die in Längsrichtung der plastisch verformten Seitenwände zunimmt. Auf diese Weise lässt sich eine vormontierte Einheit aus einem oder mehreren Heizelementen und einem oder zwei Kontaktelementen noch leichter in das Gehäuse einbringen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 das Gehäuse einer Heizeinrichtung in einer Draufsicht;
2 einen Längsschnitt des Gehäuses;
3 einen schematischen Längsschnitt der Heizeinrichtung vor dem Verpressen; und
4 einen schematischen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels nach dem Verpressen.
Die in den 1 bis 3 dargestellte Heizeinrichtung hat ein Gussgehäuse 1, das einen Innenraum umgibt, in dem wenigstens ein keramisches Heizelement 2, beispielsweise ein PTC-Heizelement, angeordnet ist. Das Gussgehäuse 1 kann Wärmeabgabeelemente wie Kühlrippen oder ähnliches aufweisen.
Wie insbesondere die 2 bis 4 zeigen, wird der Innenraum von einer oberen Wand 1a und einer unteren Wand 1b begrenzt. Die obere Wand 1a und die untere Wand 1b sind über zwei gegenüberliegende Seitenwände 1c miteinander verbunden. Das Gussgehäuse 1 kann dabei als ein Rohrgehäuse ausgebildet sein, das an zwei gegenüber liegenden Enden offen ist. Möglich ist es aber auch, dass das Gehäuse 1 an einem Ende von einer weiteren Seitenwand verschlossen ist.
Wie 2 zeigt, hat das Gehäuse 1 einen keilförmigen Innenraum. Der Abstand zwischen der oberen Wand 1a und der unteren Wand 1b nimmt von einem Ende zum anderen Ende des Gehäuses 1 hin kontinuierlich zu.
3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die Heizeinrichtung vor dem Verpressen. In dem Gehäuse 1 ist ein keramisches Heizelement 2 angeordnet, das von einem Montagerahmen 3 aus Kunststoff gehalten wird. Der Montagerahmen 3 hält bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch ein Kontaktelement 4, beispielsweise aus Blech. Das Kontaktelement 4 trägt eine Isolierschicht 5, beispielsweise aus Kunststoff oder einem keramischen Material, bevorzugt Aluminiumoxid. Auf seiner anderen Seite wird das Heizelement 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von dem Gehäuse 1 kontaktiert. Zu diesem Zweck kann aber auch ein zweites Kontaktelement 4 vorgesehen sein.
In dem Innenraum des Gehäuses ist zusätzlich ein Ausgleichselement 6 angeordnet, dessen Dicke in Längsrichtung der Seitenwände abnimmt. Das bevorzugt keilförmige Ausgleichselement 6 bewirkt eine gute thermische Ankopplung des Heizelements 2 an die schräg zu einander verlaufenden oberen und unteren Gehäusewände. Oberseite und Unterseite des Ausgleichselements 6 schließen bevorzugt denselben Winkel ein wie die Innenfläche der oberen und der unteren Gehäusewand.
Nach dem Einbringen des keramischen Heizelements 2 in den Gehäuseinnenraum kann das Gehäuse 1 verpresst werden, um die Wärmeankopplung zu verbessern. Dabei werden die beiden gegenüberliegenden Seitenwände 1c plastisch verformt. Es ist aber auch möglich, durch das Ausgleichselement 6 schon ohne Verpressen des Gehäuses einen guten Wärmekontakt zu erzeugen.
Die obere Wand 1a des Gehäuses kann eine konvex gewölbte Außenfläche aufweisen. Auf diese Weise lässt sich die obere Gehäusewand 1a mechanisch stabilisieren und so die Gefahr einer unerwünschten Verformung beim Verpressen reduzieren. Um einen guten Wärmekontakt zu erleichtern, hat die obere Gehäusewand 1a bevorzugt eine ebene Innenfläche.
Wie 1 zeigt, hat das Gehäuse 1 eine Breite, die in Längsrichtung der plastisch verformten Seitenwände 1c zunimmt. Bevorzugt hat auch der Innenraum des Gehäuses 1, eine Breite, die in Längsrichtung der Seitenwände 1c zunimmt. Bevorzugt sind die Seitenwände 1c des Gehäuses 1 jeweils zu der oberen Wand 1a hin geneigt. Die obere Wand 1a des Gehäuses 1 hat also eine kleinere Fläche als die untere Wand 1b des Gehäuses 1.
Das Gussgehäuse 1 ist aus einer Metalllegierung gegossen, beispielsweise aus einer Aluminiumbasislegierung. Bevorzugt ist die Aluminiumbasislegierung eine Aluminium-Silizium-Legierung. Der Gewichtsgehalt der Aluminium-Silizium-Legierung beträgt bevorzugt 5 Gew.-% bis 12 Gew.-%, insbesondere 7 Gew.-% bis 11 Gew.-%.
Die Aluminiumbasislegierung kann zusätzlich weitere Legierungsbestandteile enthalten. Bevorzugt beträgt die Summe der übrigen Bestandteile der Aluminium-Silizium-Legierung weniger als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 3 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-%. Bevorzugt enthält die Aluminiumbasislegierung 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Eisen, besonders bevorzugt 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Eisen.
Das Gussgehäuse 1 kann nach dem Einführen des Montagerahmens 3 und dem Verpressen mit Kunststoff ummantelt werden. Der in den Figuren nicht dargestellte Kunststoffmantel kann beispielsweise durch Spritzgießen oder als Pulverbeschichtung aufgetragen werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Innenraum der Heizeinrichtung nur ein einziges Heizelement 2 angeordnet. In dem Innenraum der Heizeinrichtung können aber auch mehrere keramische Heizelemente angeordnet sein.
4 zeigt einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Heizeinrichtung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 im Wesentlichen nur in der Ausgestaltung der sich gegenüberliegenden Seitenwände 1c. Während die sich gegenüberliegenden Seitenwände 1c bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 geradlinig zwischen der oberen Gehäusewand 1a und der unteren Gehäusewand 1b verlaufen, sind die Seitenwände 1c bei dem Ausführungsbeispiel von 4 gekrümmt. Indem die Seitenwände einen gekrümmten Abschnitt aufweisen, wird eine Sollbiegestelle definiert, die beim Verpressen des Gehäuses 1 nachgibt. Vorteilhaft lässt sich dadurch das Verpressen des Gehäuses erleichtern.
Die beiden gegenüberliegenden Seitenwände 1c sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach außen ausgebuchtet, können beispielsweise aber auch innen eingebuchtet sein.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel hält der Montagerahmen 3 zwei Kontaktelemente 4, während bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 nur ein einziges Kontaktelement 4 vorhanden ist. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel kann dahingehend abgewandelt werden, dass nur ein einziges Kontaktelement 4 vorhanden ist. Der Massekontakt des Heizelementes 2 erfolgt dann durch das Gehäuse 1.
Bezugszeichenliste

1: Gussgehäuse
1a: Obere Wand
1b: Untere Wand
1c: Seitenwände
2: Heizelement
3: Montagerahmen
4: Kontaktelement
5: Isolierschicht
6: Ausgleichselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009012982 A1 [0001, 0003]
DE 102005036430 A1 [0003]

Claims

Heizeinrichtung mit wenigstens einem Heizelement (2), das zwei gegenüberliegende Kontaktseiten aufweist, an denen es elektrisch kontaktiert ist, wenigstens einem Kontaktelement (4), das an einer der beiden Kontaktseiten des Heizelements (2) anliegt, einem Gussgehäuse (1) aus Metall, das einen Innenraum umgibt, in dem das Heizelement (2) angeordnet ist, wobei der Innenraum von einer oberen Wand (1a) und einer unteren Wand (1b) begrenzt ist, und die obere Wand (1a) und die untere Wand (1b) über zwei gegenüberliegende Seitenwände (1c) miteinander verbunden sind, und wobei das Heizelement (2) mit einer seiner beiden Kontaktseiten der oberen Wand (1a) und mit seiner anderen Kontaktseite der unteren Wand (1b) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand von der unteren Wand zu der oberen Wand in Längsrichtung der gegenüberliegenden Seitenwände (1c) verringert und in dem Innenraum ein Ausgleichselement (6) angeordnet ist, dessen Dicke in Längsrichtung der gegenüberliegenden Seitenwände (1c) abnimmt.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgehäuse (1) verpresst ist.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gegenüberliegenden Seitenwände (1c) jeweils wenigstens einen gekrümmten Abschnitt aufweisen.
Heizeinrichtung nach Anspruche 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Abschnitt nach außen ausgebuchtet ist.
Heizeinrichtung nach Anspruche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gekrümmten Abschnitt die Wandstärke zwischen der oberen Wand (1a) und der unteren Wand (1b) ein Minimum aufweist und von diesem Minimum aus sowohl zur oberen Wand (1a) als auch zur unteren Wand (1b) hin zunimmt.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Wand (1a) und/oder die untere Wand (1b) einen Bereich mit einer konvexen Außenfläche aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einer Aluminiumbasislegierung, die eine Aluminium-Silizium-Legierung ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumgehalt 5 Gew.-% bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 7 Gew.-% bis 11 Gew.-% beträgt.
Heizeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle übrigen Bestandteile der Aluminium-Silizium-Legierung zusammen weniger als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 3 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-% ausmachen.
Heizeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgehäuse (1) von einem Kunststoffmantel umgeben ist.