DE19600069C2 - Elektrischer PTC-Heizkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem in einer Umhüllung angeordneten Widerstands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, welcher Heizkörper über an seinen Seitenflächen anliegende metallische Kontakte an Spannung liegt, wobei die Kontakte einseitig oder beidseitig durch eine oder mehrere Lagen nichtleitenden Materials von der Umhüllung isoliert sein können.

Bei Heizelementen vorgenannter Art steift sich die Energieaufnahme des an eine Spannungsquelle angeschlossenen Widerstands-Heizkörpers ohne weiteres Zutun, also ohne Schaltmaßnahmen oder dgl., so ein, daß der Widerstands-Heizkörper eine bestimmte, im wesentlichen von seiner Materialzusammensetzung abhängige Temperatur annimmt. Dies ergibt sich dadurch, daß der elektrische Widerstand des Widerstands-Heizkörpers oberhalb einer bestimmten Temperatur stark zunimmt und demgemäß die Energieaufnahme aus der elektrischen Spannungsquelle sinkt. Dieser Wirkungszusammenhang hält nun zwar die Temperatur des an die Spannungsquelle angeschlossenen Widerstands-Heizkörpers selbst praktisch konstant, vermag aber die Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die erzeugte Wärme abgenommen wird, bei den bisher bekannt gewordenen bzw. beschriebenen Heizelementen dieser Art nicht im erwünschten Ausmaß konstant zu haften, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die Wärmeabfuhr von der Umhüllung schwankt. Dieser Nachteil rührt daher, daß der Wärmewiderstand, der zwischen dem Widerstands-Heizkörper und der Umhüllung vorliegt, ein Temperaturgefälle verursacht, dessen Größe von der von der Umhüllung abgeführten Wärmemenge abhängt. Dementsprechend kommt es zu unerwünschten Schwankungen der Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die Wärme abgenommen wird, obwohl der Heizkörper des Heizelementes eine praktisch konstante Temperatur hat.

Der Wärmewiderstand hängt einerseits von den thermischen Eigenschaften der zwischen dem Heizkörper und der Umhüllung verwendeten Materialien und von deren Geometrie ab, andererseits aber auch in sehr wesentlichem Maße vom Wärmeübergang zwischen den einzelnen Konstruktionselementen, etwa den metallischen Kontakten und Isolierkörpern. Auch bei guter Feinrauhigkeit hängt der Wärmeübergang zwischen zwei Körpern noch stark von der Kraft ab, mit der die Körper zusammengepreßt werden.

Viele Konstruktionen von Heizelementen enthalten daher zur Verbesserung der Wärmeübergänge Federelemente. Es sind Konstruktionen bekannt, bei denen die Umhüllung des Heizelementes an der am zu heizenden Gegenstand anliegenden Seite als thermisch gut leitende, massive Aluminiumschicht ausgebildet ist, gegen die der Widerstands-Heizkörper mit den nötigen Kontakt- und Isolierelementen durch eine Blattfeder angepreßt wird. In dieser Konstruktion ist die Wärmeleitung auf der der Aluminiumschicht zugekehrten Seite des Widerstands-Heizkörpers gut, auf der der Blattfeder zugekehrten Seite jedoch schlecht. Eine solche einseitige Wärmeauskopplung ist bei Verwendung von stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten besonders nachteilig, da wegen der nichtlinearen Eigenschaften dieses Materials die bei bestimmter Temperatur nur einseitig ausgekoppelte Wärmemenge weniger als 50% der bei beidseitiger Auskopplung erreichten Wärmemenge beträgt.

In DE 39 42 266 C1 ist eine Konstruktion beschrieben, bei der eine teilweise Wärmeauskopplung auch auf der dem Wärmeverbraucher abgewandten Seite dadurch erreicht wird, daß die Umhüllung des Heizelementes als im wesentlichen rechteckiges Aluminiumrohr ausgeführt ist, dessen eine - dem Wärmeverbraucher zugekehrte - Seite dickwandig ausgeführt ist, während die gegenüberliegende Seite des Aluminiumrohres dünnwandig ausgeführt ist, was notwendig ist, um den Druck einer außen angebrachten Feder auch auf die innen liegende PTC-Keramik und die zugehörigen Teile wirken zu lassen. Diese Konstruktion hat den Nachteil, daß die Feder und die Elemente, gegen die sich die Feder abstützt, außerhalb des eigentlichen Heizelementes angeordnet sind, was zu großen Dimensionen der Gesamtkonstruktion führt. Die Wärmeableitung von der dem Wärmeverbraucher abgekehrten Seite ist auch deshalb nicht ideal, weil das Aluminiumrohr dort - wie für die Verformung notwendig - dünnwandig ist und weil die Verformung nicht nur in den dafür vorgesehenen Bereichen auftritt sondern eine gewisse Verformung auch dort entsteht, wo das Aluminium flach anliegen soll, also etwa an einem die Wärme übertragenden, elektrisch isolierenden Körper.

In EP 0 057 171 A2 ist eine Konstruktion beschrieben, die zwar völlige Symmetrie bezüglich der Auskopplung gewährleistet, die jedoch ebenso wie DE 39 42 266 Verformung von wärmeleitenden Aluminiumteilen erfordert und außenliegende Federelemente besitzt.

In beiden genannten Fällen ist auf möglichst enge Fertigungstoleranzen zu achten um die zum Ausgleich der Toleranzen nötige Verformung der wärmeleitenden Metallteile gering zu halten.

In DE 26 14 433 B2 werden Fertigungstoleranzen und Differenzen aufgrund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten dadurch ausgeglichen, daß die Wärmeleitung entweder durch metallische Federelemente oder durch eine Schicht aus elastischem Silicongummi erfolgt. In beiden Fällen ist die Wärmeleitung nicht optimal, im Falle der Federn wegen der geringen Dicke des metallischen Materials, im Falle des Silicongummis wegen des sehr geringen Wärmeleitungskoeffizienten.

In DE 36 17 679 C2 wird eine Anordnung beschrieben, in der die Wärme von der PTC-Keramik durch zwei keilförmige Wärmeableitungskörper abtransportiert wird. In der Ebene dieses Wärmeflusses können Fertigungstoleranzen und Temperatur­ bewegungen durch eine Feder ausgeglichen werden, wobei PTC-Keramik und Ableitkörper an einander gleiten. Aus der Ebene dieses Wärmeflusses wird die Wärme dann im rechten Winkel an die Umhüllung weitergeleitet. Auch in dieser Richtung ist eine Federkraft erforderlich, die entweder durch das Gehäuse oder durch eine außen angebrachte Feder geliefert werden muß. Mindestens eine Seite dieser Konstruktion ist daher nicht für Wärmeleitung verfügbar. Die keilförmigen Körper stellen zusätzliche Konstruktionselemente dar und die interne und die externe Feder müssen gut aufeinander abgestimmt sein.

Es ist eine Reihe von Konstruktionen bekannt, die keilförmige wärmeübertragende Elemente enthalten, durch deren Verschiebung Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden sollen. Diese Konstruktionen erfordern zusätzliche Teile, nämlich die Keilelemente, und haben den Nachteil, daß zum Toleranzausgleich ein verhältnismäßig langer Verschiebeweg der Keile nötig ist. In manchen Fertigungsverfahren, wie etwa im Aluminium-Strangguß, ist es auch schwierig oder unmöglich, Werkstücke mit stark unterschiedlicher Materialstärke zu realisieren, sodaß die für die Konstruktion gewünschen Keil-Geometrien nicht gewählt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Heizkörper mit PTC- Heizelement so zu gestalten, dass ohne Verformung wärmeleitender Teile eine weitgehend symmetrische Wärmeauskopplung erfolgt.

Das erfindungsgemäße selbstregelnde Heizelement eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein oder mehrere in gewissen Grenzen frei bewegliche gut wärmeleitende Körper enthält, die die Wärme vom Widerstands- Heizköper und den damit eventuell verbundenen Kontakt- und Isolationselementen abnehmen und - in den meisten konkreten Ausführungen in anderer Richtung - an die Elemente der Umhüllung des Heizelementes weiterleiten, wobei diese Wärme- Umleitungskörper zum Toleranzausgleich und zur Verbesserung des Wärmeüberganges gleichzeitig, mit Hilfe von einer Feder oder von mehreren Federn, sowohl gegen die Konstruktionsgruppe rund um den Widerstands-Heizkörper als auch gegen die Konstruktionselemente der Umhüllung gepreßt werden. Diese Wärme- Umleitungskörper schaffen eine größere Konstruktionsfreiheit und eine freiere Materialwahl für die übrigen Teile des selbstregelnden Heizelementes.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion können die oben genannten Nachteile bisher bekannter Konstruktionen vermieden werden. Das zumeist bestehende Problem, daß wegen Fertigungstoleranzen und Unterschieden in der Wärmeausdehnung beidseitige Wärmeauskopplung aus dem Widerstands- Heizkörper unmöglich oder mangelhaft ist, wird erfindunggemäß dadurch überwunden, daß der Wärme-Umleitungskörper sowohl am Widerstands-Heizkörper bzw. dessen Kontakt- und Isolationselementen satt und gut wärmeleitend anliegen kann als auch an der Umhüllung des Heizelementes, die die Wärme an den letztendlichen Verbraucher weitergibt. Die Wärmeübertragung ist auf dem Weg über den Wärme-Umleitungskörper wegen dessen Beweglichkeit und wegen des Federandruckes unabhängig von Fertigungstoleranzen und Wärmedehnung jederzeit optimal, sodaß die Forderung beidseitiger Wärmeauskopplung annähernd erfüllt werden kann.

Sowohl die Umhüllung des Heizelementes als auch die am Widerstands-Heizkörper anliegenden Metallteile, etwa Kontakte, können dünnwandig ausgeführt sein, was oft für die Konstruktion von Vorteil ist. Keilelemente, die auch noch einen entprechend engegengesetztes weiteres keilförmiges Element erfordern, werden nicht benötigt. Auch der im Verhältnis 1/tanα größere Verschiebungsweg eines Keils zum Toleranz- und Ausdehnungsausgleich fällt weg. Eine Verformung wärmeleitender Elemente der Konstruktion ist nach dem erfindungsgemäßen Aufbau des Heizelementes ebenfalls nicht nötig, und es wird die Verschlechterung des Wärmeübergangs der verformten Teile durch die bei der Verformung entstehenden Unebenheiten vermieden.

Wegen der guten Wärmeleiteigenschaften des erfindungsgemäßen Heizelementes können die Regeleigenschaften des Widerstands-Heizkörpers auch auf einem hohen Leistungsniveau genutzt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung des Heizelementes aus einem rechteckigen Aluminium-Profilrohr, u. U. auch handelsüblicher Ausführung, besteht, gegen dessen inneren, flachen Boden ein oder mehrere plättchenförmige Widerstands-Heizkörper gepreßt werden. Die Keramikplättchen sind zum Zwecke des elektrischen Anschlusses an einander gegenüberliegenden Flächen metallisiert; die innere Profilrohrfläche dient also in der beschriebenen Ausformung sowohl zur Wärmeabfuhr als auch als elektrischer Kontakt, was etwa bei Niederspannung kein Problem darstellt. An der zweiten, in dieser Beschreibung oberen Fläche des oder der Keramikplättchen liegt eine Kontaktfolie oder eine Kontaktplatte an, darauf folgt eine Isolierschicht aus Isolierfolie oder Isolierkeramik, oder mehrere solche Schichten, und sodann der Körper zur Wärmeumleitung. Er wird durch Federwirkung an den Komplex aus Widerstands-Heizkörper, Kontaktelement und Isolierkörper gepreßt, wodurch für gute Wärmeleitung gesorgt wird. Gleichzeitig wird der Wärme- Umleitungskörper auch an eine Seitenwand des Aluminium-Profilrohres gepreßt, sodaß guter Wärmefluß auch von der zweiten, in dieser Beschreibung oberen Seite des Widerstands-Heizkörpers zur Umhüllung des selbstregelnden Heizelementes gewährleistet ist.

In einer zweiten Ausführungsform ist die Umhüllung des Heizelementes vom Heizkörper elektrisch isoliert. An den Heizkörper liegen in dieser Konstruktion beidseitig Kontaktplättchen oder Kontaktfolien sowie isolierende Elemente an. Die Konstruktion gleicht der oben beschriebenen, jedoch steht der Widerstands- Heizkörper mit seiner unteren Kontaktschicht nicht direkt in Kontakt mit der unteren Aluminiumschicht der Umhüllung, vielmehr liegen an dieser Aluminiumschicht nun isolierende Elemente, sodann folgt, in der Darstellung nach oben gehend, eine Kontaktfolie oder ein Kontaktplättchen und dann erst der Widerstands-Heizkörper. Der Wärmefluß vom Heizkörper zur unteren Aluminiumschicht der Umhüllung ist in dieser zweiten Ausführungform wegen der dazwischentretenden Isolier- und Kontaktelemente notwendigerweise schlechter, wegen des konstruktionsmäßigen Andrucks durch Federkraft aber optimal. Diese zweite Ausführungsform muß gewählt werden, wenn die Umhüllung aus Funktionsgründen oder wegen Sicherheitsvorschriften vom Widerstands-Heizkörper elektrisch isoliert sein muß.

In einer dritten hier beschriebenen Ausführungsform ist anstelle von Aluminum isolierende Keramik für Umhüllung und Wärme-Umleitungskörper gewählt. Hierdurch können die oben für die zweite Ausführungsform beschriebenen internen Isolierelemente entfallen.

In einer vierten hier beschriebenen Ausführungsform ist die untere Seite der (hier wieder metallisch gewählten) Umhüllung zu einer großen Wärmeleitungs- und Montageplatte vergrößert. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Wärmeverbraucher eine entsprechend große Montagefläche zuläßt. Hiermit kann der Wärmeübergang vom selbstregelnden Heizelement zum Verbraucher verbessert werden. Die Unterseite der Montageplatte, also die dem Verbraucher zugekehrte Seite, kann leicht bombiert ausgeführt sein, in der Weise, daß der zentrale Teil bei Montageunregelmäßigkeiten bevorzugt Wärmekontakt hält.

In einer fünften Ausführungsform ist die Umhüllung des Heizelementes außen (kreis-) zylindrisch geformt, um das Heizelement zur Montage in Wärmeabnehmern mit zylindrischer Bohrung brauchbar zu machen. Die zuvor beschriebenen inneren Konstruktionsmerkmale werden hierdurch nicht betroffen.

Eine sechste hier beschriebene Ausführungsform betrifft ein selbstregelndes Heizelement mit (kreis-)zylindrischer Umhüllung, bei dem auch der Wärme- Umleitungskörper zylindrische oder annähernd zylindrische Flächen besitzt. Diese Ausführungsform kann dann von Vorteil sein, wenn die zylindrische Umhüllung des Heizelementes, z. B. aus produktionstechnischen Gründen, dünnwandig sein soll. Der zentrale Komplex, bestehend aus Widerstands-Heizkörper, Kontakten und Isolierkörpern, kann so ausgeführt sein wie in den oben genannten Ausfführungsformen beschrieben. Der Wärmefluß von der einen - in der gewählten Beschreibung von der unteren - Seite wird über einen Aluminiumkörper in Form eines Zylindersegmentes sichergestellt. Dieses Zylindersegment ist der Innenseite der Umhüllung des Heizelementes so gut wie produktionstechnisch möglich angepaßt. An der Oberseite läuft der Wärmefluß ebenfalls über einen Aluminiumkörper in Form eines Zylindersegmentes, der Radius dieses Zylindersegmentes ist jedoch etwas kleiner als der Innenradius der Umhüllung, sodaß Fertigungstoleranzen und Unterschiede in der Wärmeausdehnung kompensiert werden können. So wie oben im Falle eines rechtwinkligen Wärme-Umleitungskörpers beschrieben, wird auch der Körper in Form eines Zylindersegments durch Federwirkung in zwei Richtungen gedrückt: mit seiner ebenen Fläche an den zentralen Komplex und mit seiner gekrümmten Fläche an die Umhüllung. Wegen des Unterschiedes der Radien von Zylindersegment und Umhüllung geht der Wärmefluß hier nicht über einen großflächigen Kontakt. Da die Radien aber nur einen geringen Unterschied aufweisen ergibt sich, insbesondere auch durch den Andruck, eine gute Schmiegung, sodaß der Kontakt wesentlich besser ist als ein Linienkontakt. Hierdurch werden die Wärmeflüsse von beiden Kontaktflächen des Widerstands-Heizkörpers annähernd gleich.

Die Erfindung wird nun anhand von lediglich Ausführungsvarianten darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Heizelementes im Längs- und Querschnitt,

Fig. 3 eine Variante eines solchen Heizelementes mit lediglich einer, jedoch schräggestellten, Feder,

Fig. 4 eine Variante eines solchen Heizelementes, mit anderer Ausführung der Isolation, ebenfalls im Querschnitt,

Fig. 5 eine Variante eines solchen Heizelementes, bei der als Material für Umhüllung und Wärme-Umleitungskörper isolierende Keramik an die Stelle von Metall tritt.

Fig. 6 eine Variante eines solchen Heizelementes, bei der die (hier wieder metallisch gewählte) Umhüllung zur Verbesserung der Wärmeübertragung an der Unterseite verbreitert ist,

Fig. 7 eine Variante mit zylinderförmiger Außenfläche der Umhüllung,

Fig. 8 eine Variante mit Wärme-Umleitungskörpern in Form von Zylindersegmenten.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform eines selbstregelnden Heizelementes sind Widerstands-Heizkörper 1 vorgesehen, die aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes bestehen. Diese Heizkörper 1 liegen mit ihrer (im Bild) unteren metallisierten Fläche plan auf der unteren Innenseite der Umhüllung an und haben dort elektrisch Kontakt. Auf der oberen metallisierten Fläche der Heizkörper 1 liegt ein Kontaktstreifen 3, sodann ein isolierender Körper 4 und darüber der Wärme- Umleitungskörper 5. Alle aufgeführten Teile haben flächigen Wärmekontakt, der durch die Feder 6 unter Druck gehalten wird. Fig. 2 zeigt die Konstruktion im Querschnitt. Hier ist auch eine Feder 7 dargestellt, die den seitlichen Andruck des Wärme-Umleitungskörpers an eine Seitenfläche der hier quadratisch dargestellten Umhüllung sicherstellt.

In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Stromzuführung einerseits über den Wärme-Umleitungskörper und die Feder 6 zur Umhüllung und von dort zur unteren metallisierten Fläche der Heizkörper, und andererseits über den Kontaktstreifen 3 zur oberen metallisierten Fläche der Widerstands-Heizkörper.

Fig. 3 zeigt die Realisierung des für die Funktion benötigten senkrechten und waagrechten Andrucks durch lediglich eine Feder (8).

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, in der die Umhüllung durch die Isolierkörper 4a und 4b von den stromführenden Teilen isoliert ist. Zusätzlich ist hier ein Gleitkörper 9 dargestellt, der dann vorteilhaft eingesetzt werden kann, wenn etwa die Haftreibung zwischen dem Wärme-Umleitungskörper und dem Isolierkörper 4b zu hoch ist um die Feder 7 ausreichend zur Wirkung kommen zu lassen. Die Stromzuführung erfolgt in dieser Variante über die Kontaktelemente 3a und 3b.

In einer Ausführung entsprechend Fig. 5 sind Umhüllung 2a und Wärme- Umleitungskörper 5a in elektrisch isolierender, jedoch gut wärmeleitender Keramik ausgeführt. Diese Ausführung bietet den Vorteil, daß weniger isolierende Elemente erforderlich sind.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung entsprechend Fig. 1 und 2, in der die Umhüllung eine verbreiterte Bodenplatte aufweist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführung entsprechend Fig. 1 und 2, in der die Umhüllung eine (kreis-)zylindrische Außenkontur hat.

Fig. 8 zeigt eine Ausführung mit rohrförmiger Umhüllung 10, und zwei Wärme- Umleitungskörpern 11, 12 mit annähernd halbkreisförmigem Querschnitt.

Claims (4)

1. Elektrischer PTC-Heizkörper mit mindestens einem, in einer Umhüllung (2, 10) angeordneten inneren Konstruktionselement, das
aus mindestens einem plättchenförmigen, keramischen PTC-Heizelement (1),
mindestens einem Kontaktstreifen (3) und, falls elektrisch erforderlich,
mindestens einem isolierenden Körper (4) besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass

• a) zwischen der Umhüllung (2, 10) und den inneren Konstruktionselementen ein oder mehrere massive Wärmeumleitungskörper (5, 5a, 11, 12) angeordnet sind,
• b) die gegenüber der Umhüllung (2, 10) und den inneren Konstruktions­ elementen gleitend beweglich sind und
• c) durch jeweils separate, innerhalb der Umhüllung (2, 10) angeordnete Federn (6, 7, 8) gegen die Umhüllung (2, 10) und die inneren Konstruktionselemente gedrückt sind.

2. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der durch die Federn zu bewirkenden Verschiebungen Elemente mit geringer Haftreibung eingefügt werden.

3. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Wärmeüberganges auf Wärmeübertragungsflächen und in Schmiegezonen Wärmeleitpasten oder sich der Feinrauhigkeit anpassende Wärmeleitmaterialien eingesetzt werden.

4. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung des selbstregelnden Heizelementes durch ein Konstruktionselement des zu beheizenden Gegenstandes dargestellt wird, welches Konstruktionselement nicht ausschließlich die Funktion der Umhüllung des Heizelementes hat.