DE10209905A1

DE10209905A1 - Elektrisches Heizgerät, insbesondere Durchlauferhitzer

Info

Publication number: DE10209905A1
Application number: DE10209905A
Authority: DE
Inventors: Olaf Diederich
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: DE10209905B4

Abstract

Ein elektrisches Heizgerät, insbesondere Durchlauferhitzer, mit einem zu kühlenden Halbleiterschalter soll einfach aufgebaut sein. Hierfür ist ein Halbleiterkörper 11 des Halbleiterschalters oder dieser an einem wärmeleitenden Verschlussstück 9 desjenigen Raumes 3 wärmeleitend, mechanisch und elektrisch leitend befestigt, der das zu beheizende Medium beinhaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizgerät, insbesondere Durchlauferhitzer, zur Beheizung eines Mediums, mit wenigstens einem Halbleiterschalter, insbesondere Triac, zur Steuerung der Leistung wenigstens eines elektrischen Heizkörpers, wobei der Halbleiterschalter einen ersten an dem Heizkörper liegenden Anschlusspol und einen zweiten an einer Anschlussklemme des elektrischen Netzes liegenden Anschlusspol aufweist, und ein Steuerpol des Halbleiterschalters an eine Steuerschaltung gelegt ist und der Halbleiterschalter zu seiner Kühlung außen an einem das Medium beinhaltenden Raum des Heizgeräts wärmeleitend angeordnet ist.
Ein derartiges elektrisches Heizgerät ist in der DE 41 06 273 C1 beschrieben. Die Gehäuse der Triacs sind zu ihrer Kühlung an einem wasserführenden Rohrstück des Durchlauferhitzers mittels eines wärmeleitenden Metallblocks befestigt. Die einen Anschlusspole der Triacs sind jeweils an eine Phase des Wechselstroms über Leitungen angeschlossen. Die anderen Anschlusspole sind über separate Leitungen mit den elektrischen Heizkörpern verbunden. Die Steuerpole der Triacs sind an eine Steuerschaltung gelegt. Das Anschließen erfolgt dabei über die bei einem üblichen Aufbau eines Triacs aus dessen Gehäuse ragende Anschlussstifte. Das Gehäuse eines Triacs mit üblichem Aufbau ist gegenüber den Anschlussstiften elektrisch isoliert.
In der Praxis sind die Anschlussstifte des Triacs auf eine Leiterplatte gelötet und das Gehäuse des Triacs ist mit einem Kühlkörper verschraubt. Der Kühlkörper seinerseits ist fest mit der Leiterplatte verschraubt, um mechanische Belastungen des Gehäuses des Triacs auf die Anschlussstifte zu vermeiden. Diese mechanische Belastung muss möglichst gering gehalten werden, weil die Lebensdauer des Triacs bei hoher mechanischer Beanspruchung deutlich reduziert wird.
Die Leitung der bei einem Triac fließenden hohen Ströme, beispielsweise bis zu 45 A, auf der Leiterplatte ist aufwändig. So ist u. a. eine vergleichsweise dicke Kupferlage der Leiterplatte zur Stromleitung erforderlich. Eine dicke Kupferlage jedoch widerspricht dem Einsatz von dünnen Leiterbahnen auf der gleichen Leiterplatte. Aus diesem Grund und wegen der auf der Leiterplatte entstehenden hohen Temperaturen, wird nach dem Stand der Technik die Steuerschaltung auf einer Leiterplatte realisiert, die von der die Leistungsschaltung enthaltenden Leiterplatte getrennt ist. Dies ist aufwändig. Der Anschluss des Leistungsteil und der Heizkörper an das Netz wird üblicherweise durch Kabel hergestellt, die entweder direkt in die Leiterplatte eingelötet sind oder an Einpressmuttern der Leiterplatte geschraubt sind. Beide Verbindungstechniken sind aufwändig. Die Einpressmuttern sind kostenaufwändig und das direkte Einlöten der Kabel in die Leiterplatte erschwert einen automatischen Wellenlötprozess. Ein solcher wird unmöglich, wenn auf der gleichen Leiterplatte temperatursensible Komponenten montiert sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Heizgerät der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Kühlung der Halbleiterschalter und/oder der elektromechanische Aufbau vereinfacht ist.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die wärmeleitende Befestigung des Halbleiterkörpers des Halbleiterschalters oder des Halbleiterschalters an dem Verschlussstück ist eine gute Ableitung der Verlustwärme des Halbleiterschalters auf das zu erwärmende Medium gegeben. Durch die mechanische Befestigung des Halbleiterkörpers oder des Halbleiterschalters am Verschlussstück ist es überflüssig, diesen an einer Leiterplatte zu befestigen. Durch die direkte elektrische Verbindung des einen Anschlusspols des Halbleiterkörpers des Halbleiterschalters oder des Halbleiterschalters mit dem Verschlussstück und dessen elektrische Verbindung mit dem elektrischen Heizkörper erübrigt sich eine separate Leitung zur Schaffung dieser Verbindung.
Durch die beschriebene Anordnung kann auf ein auf einer Leiterplatte angeordnetes Leistungsteil verzichtet werden. Dadurch ist eine beträchtliche Reduzierung der nötigen Leiterplattenfläche des elektrischen Heizgeräts erreicht. Die Leiterplatte braucht nur die Steuerschaltung zu tragen. Da auf dieser Leiterplatte keine hohen, die elektrische Leistung der Heizkörper schaltenden Ströme fließen, kann die noch nötige Leiterplatte kompakt aufgebaut und kostengünstig hergestellt werden. Die nur für die Steuerschaltung nötige Leiterplatte lässt sich wahlfrei im elektrischen Heizgerät anordnen. Ihre Lage ist nicht von der Führung es Mediums im Gerät, insbesondere Wasserführung, abhängig. Die Anzahl der im Gerät zu verlegenden, wegen hoher Stromflüsse steifen Kabel ist gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
Ein besonderer Kühlkörper ist beim beschriebenen Heizgerät nicht erforderlich, da das Verschlussstück selbst dessen Funktion übernimmt.
Die beschriebene Anordnung kann auch bei einem Heizgerät, insbesondere Durchlauferhitzer, eingesetzt werden, der nicht elektronisch über Heizleiterschalter, sondern hydraulisch, beispielsweise über einen Differenzdruckschalter, gesteuert ist.
Vorzugsweise wird der Halbleiterkörper (Die), insbesondere Triac-Die, selbst in der beschriebenen Weise wärmeleitend, mechanisch und elektrisch mit dem Verschlussstück verbunden. Ein solcher Halbleiterkörper (Die) hat die Funktion des Halbleiterschalters, insbesondere Triacs, ohne jedoch dessen übliche Gehäuse zu besitzen. Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Verlustwärme entwickelnden Halbleiterkörper und dem Verschlusskörper besonders eng, d. h. der thermische Widerstand zwischen dem Halbleiterkörper und dem vom Medium, insbesondere Wasser, beströmten Verschlusskörper ist gering. Damit ist es möglich, den den Halbleiterkörper tragenden Verschlusskörper an einer Stelle des Heizgeräts anzuordnen, die im Bereich des schon vom Heizkörper erwärmten Mediums liegt. Dies erweitert die Gestaltungsfreiheit bei dem Entwurf des elektrischen Heizgeräts.
Es ist jedoch auch möglich, einen Halbleiterschalter mit Gehäuse an dem Verschlussstück anzuordnen, wobei dann ebenfalls die genannten, wärmeleitenden, mechanischen und elektrischen Verbindungen bestehen.
Vorzugsweise ist das Verschlussstück ein den Heizkörper, insbesondere Blankdrahtheizkörper, selbst tragender, für dessen Befestigung ohnehin nötiger Heizwendelbolzen.
Die beschriebene Anordnung ist nicht auf den Einsatz bei elektrischen Durchlauferhitzern beschränkt. Sie kann auch bei anderen elektrischen Heizgeräten zum Einsatz kommen, die ein Medium, beispielsweise auch Luft, beheizen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den Unteransprüchen.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Blankdraht- Durchlauferhitzers, wobei nur ein Heizkörper dargestellt ist,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Blankdraht-Heizkörpers des Durchlauferhitzers mit Heizwendelbolzen und an diesem angeordneten Halbleiterkörper,
Fig. 3 eine teils geschnittene Ansicht in Richtung der Pfeile III nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Halbleiterkörpers mit Triacfunktion, ohne Gehäuse.
In Fig. 1 ist zur Vereinfachung der Darstellung im Durchlauferhitzer nur ein Heizkörper gezeigt. Die Darstellung lässt sich auf einen Durchlauferhitzer mit drei Heizkörpern und entsprechenden Wasserstrecken sowie entsprechendem Netzanschluss übertragen.
Nach Fig. 1 besteht ein Wasserleitblock 1 eines elektrischen Durchlauferhitzers aus einem Formteil 2, in dem parallele Wasserkanäle 3, 4 ausgebildet sind, und aus zwei Kopfteile bildenden Formteilen 5, von denen in Fig. 1 nur eines gezeigt ist. Im Formteil 5 sind Umlenkstrecken 6 für die Wasserströmung vom Wasserkanal 3, 4 in den Wasserkanal 4, 3 ausgebildet. Die Formteile 2, 5 bestehen aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff.
Im Wasserkanal 3 ist ein gewendelter Blankdraht-Heizkörper 7 angeordnet, dessen eines Ende 8 an einem metallischen Heizwendelbolzen 9 elektrisch leitend mechanisch befestigt ist. Der andere Wasserkanal 4 dient in üblicher Weise für die elektrische Isolation als Vorlaufstrecke bzw. Nachlaufstrecke. Mittels des Heizwendelbolzens 9 ist der Heizkörper 7 am Wasserleitblock 1 festlegbar. Das andere, nicht näher dargestellte Ende des Heizkörpers 7 ist entsprechend an einem Heizwendelbolzen befestigt und zu einer Anschlussklemme geführt, an die eine der Phasen oder der Nullleiter des elektrischen Wechselstromnetzes anzuschließen ist.
Der Heizwendelbolzen 9 weist eine Führungsöffnung 10 auf, in die das eine Ende 8 des Blankdraht-Heizkörpers 7 eingesteckt ist, und in der das Ende 8 mechanisch gehalten und mit dem Heizwendelbolzen 9 elektrisch verbunden ist.
In entsprechender Weise kann der Heizkörper 7 auch von einem Rohrheizkörper gebildet sein.
An der der Umlenkstrecke 6, bzw. dem diese durchströmenden Wasser, abgewandten Seite des Heizwendelbolzens 9 ist ein plättchenförmiger Halbleiterkörper 11 befestigt, der die Funktion eines Triacs (vgl. Fig. 4) hat, ohne das bei einem handelsüblichen Triac übliche Gehäuse aufzuweisen. Der Halbleiterkörper 11 ist damit ein Triac-Die. Der Halbleiterkörper 11 weist einen ersten Anschlusspol MT1, einen zweiten Anschlusspol MT2 und einen Steuerpol G auf (vgl. Fig. 3, 4). Der Anschlusspol MT1 ist direkt, flächig, mit der der Wasserseite abgewandten Oberfläche des Heizwendelbolzens 9 wärmeleitend, mechanisch und elektrisch verbunden. Diese Verbindung kann durch Bonden, Kleben oder in einer ähnlichen Weise erfolgen.
An dem zweiten Anschlusspol MT2 und dem Steuerpol G des Halbleiterkörpers 11 ist jeweils ein Anschlussstück 12, 13 mechanisch und elektrisch leitend befestigt. Diese Befestigung kann beispielsweise durch Bonden oder in sonstiger Weise hergestellt sein. An den Anschlussstücken 12, 13 ist jeweils ein Anschlussdraht 14, 15 mechanisch und elektrisch befestigt. Diese Befestigung kann mittels einer ebenfalls bekannten Verbindungstechnik, wie beispielsweise Löten, Crimpen oder Schrauben, erfolgen.
Der mit dem zweiten Anschlusspol MT2 verbundene Anschlussdraht 14 ist über eine übliche, nicht dargestellte Anschlussklemme des Durchlauferhitzers an eine Phase L1, L2, L3 des Wechselstromnetzes oder dessen Nullleiter N gelegt, je nachdem an welcher Phase oder am Nullleiter N das andere Ende des Heizkörpers 7 liegt.
Der Anschlussdraht 15 ist zu einer nicht näher dargestellten Steuerschaltung des Durchlauferhitzers geführt, die auf einer Leiterplatte untergebracht ist. Die Lage dieser Leiterplatte im Durchlauferhitzer ist durch die Anordnung des Halbleiterkörpers 11 am Heizwendelbolzen 9nicht beschränkt. Die Leiterplatte kann an einer geeigneten Stell im Durchlauferhitzer angeordnet sein.
Der den Blankdraht-Heizkörper 7 tragende Heizwendelbolzen 9 ist in eine Öffnung 16 des Wärmeleitblocks 1, speziell dessen ein Kopfteil bildendes Formteil 5, eingesetzt. Der Heizwendelbolzen 9 weist eine Ringnut 17 auf, in die ein O-Ring 18 eingelegt ist, welcher die Wasserdichtigkeit gewährleistet. Zur mechanischen Halterung des Heizwendelbolzens 9 in der Öffnung 16 sind in dieser ein Rand 19 und eine Ringnut 20 gestaltet. In die Ringnut 20 ist ein Befestigungsring 21, insbesondere Sprengring, zur Fixierung des Heizwendelbolzens 9 in der Öffnung 16 bzw. an deren Rand 19 eingeschnappt.
Um den Halbleiterkörper 11 an dessen angeschlossenen Pole MT1, MT2, G gegen äußere Einflüsse zu schützen und mechanisch zu stabilisieren, sind der Halbleiterkörper 11 und die an diesem liegenden Enden der Anschlussstücke 12, 13 in eine Vergussmasse 22 eingebettet. Die Vergussmasse 22 wird aufgebracht, nachdem der Halbleiterkörper 11 an dem Heizwendelbolzen 9 befestigt ist und am Halbleiterkörper 11 die Anschlussstücke 12, 13 befestigt sind. Zur Unterstützung der Wirkung der Vergussmasse 22 sind die Anschlussstücke 12, 13 abgewinkelt (vgl. Fig. 1).

Claims

1. Elektrisches Heizgerät zur Beheizung eines Mediums, insbesondere Durchlauferhitzer, mit wenigstens einem Halbleiterschalter, insbesondere Triac, zur Steuerung der Leistung wenigstens eines elektrischen Heizkörpers, wobei der Halbleiterschalter einen ersten an dem Heizkörper liegenden Anschlusspol und einen zweiten an einer Anschlussklemme des elektrischen Netzes liegenden Anschlusspol aufweist und ein Steuerpol des Halbleiterschalters an eine Steuerschaltung gelegt ist und der Halbleiterschalter zu seiner Kühlung außen an einem das Medium beinhaltenden Raum des Heizgeräts wärmeleitend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Halbleiterkörper (11) des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter an einem wärmeleitenden Verschlussstück (9) des Raumes (3) an der dem Raum (3) abgewandten Seite wärmeleitend befestigt ist,
dass durch diese Befestigung der erste Anschlusspol (MT1) mit dem Verschlussstück (9) elektrisch verbunden ist und
dass das Verschlussstück (9) mit dem Heizkörper (7) elektrisch verbunden ist.

2. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussstück (9) an dem Heizkörper (7) befestigt ist und dabei mit diesem mechanisch und elektrisch verbunden ist.

3. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussstück (9) ein metallischer Heizwendelbolzen (9) des Heizkörpers (7) ist, mit dem der Heizkörper (7) im Durchlauferhitzer befestigt ist.

4. Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (11) mit dem Verschlussstück (9) durch Bonden verbunden ist.

5. Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschlusspol (MT2) des Halbleiterkörpers (11) unter Umgehung einer die Steuerschaltung tragenden Leiterplatte an eine Anschlussklemme des Netzes gelegt ist.

6. Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Anschlusspol (MT2) und am Steuerpol (G) des Halbleiterkörpers (11) Anschlussstücke (12, 13), insbesondere durch Bonden, befestigt sind.

7. Durchlauferhitzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlussstücken (12, 13) Anschlussdrähte (14, 15) befestigt sind, wobei der eine Anschlussdraht (14) zu einer Anschlussklemme des Netzes und der andere Anschlussdraht (15) zu einer die Steuerschaltung tragenden Leiterplatte geführt ist.

8. Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschlusspol (MT2) und der Steuerpol (G) in eine Vergussmasse (22) eingebettet sind.