DE19804496A1 - Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand) - Google Patents
Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand)Info
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandheizelement mit einem Wabenkör
per aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Wider
stand). 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 zusätzli
chen Regelungsaufwand automatisch jegliche Überhitzung des Widerstandsheiz
elementes verhindert. Wenn der Betriebsstrom quasi quer zur Strömungsrichtung des
Fluids durch die Wandungen der Wabenkörperkanäle geleitet werden kann, vergrö
ßert sich das anwendbare Betriebsspannungsintervall deutlich und ist im wesentli
chen 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.
Eine bekannt gewordene technische Lösung, die nicht auf einem Wabenkörper be
ruht, 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-Heiz
register, Typ HR 02" der Firma David + Bader GmbH, Kandel). Aus dieser Anord
nung folgen die beiden prinzipiellen Mängel derselben: Die kraftschlüssige elektri
sche Kontaktierung ist technologisch aufwendig und kann trotz der eingangs ge
schilderten Selbstregelwirkung der PTC-Widerstände infolge von Übergangswider
ständen zu einer unregelmäßigen Temperaturverteilung führen. Das Gleiche gilt für
den Wärmestrom in Richtung vom PTC-Körper zum Metallstreifen, wobei auch zu
gleich deutlich wird, daß der Wärmeaustausch nicht direkt am Entstehungsort der
Wärme sondern indirekt an den gewellten Metallstreifen erfolgt.
Weiter ist ein Wabenkörper zum elektrischen Heizen bekannt, bei dem gewellte La
gen einer typisch halbleitenden Keramik mit solchen aus Metall oder graphithaltigen
Stoffen abwechseln, die als Stromzuführungen dienen sollen (Patent Abstract of Ja
pan 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 sol
cher stoffschlüssiger Verbund verschiedener Werkstoffe schwierig herstellbar und
die Haltbarkeit kann unter dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten der
einzelnen Bestandteile leiden.
Es ist auch ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zur An
wendung in einer Automobil-Klimaanlage bekannt, wobei eine Kontaktierung zum
einen durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Wabenkörpers und zum
anderen durch in den Anfangsbereich eines jeden Kanals hinein reichende An
schlußdrähte angedeutet ist (US 4.866.365). Eine Kontaktierung durch Anschluß
drähte ist bei kleinen Abmessungen der Kanäle fertigungstechnisch sehr problema
tisch und stört auch die Strömungsverhältnis in den Kanälen in nachhaltiger Weise.
Schließlich ist ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zum
Aufheizen hindurchströmender Gas bekannt, bei welchem die elektrische Kontaktie
rung 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 ver
binden (DE-OS 30 16 725). Diese technische Lösung ist gleichfalls aus fertigungs
technischen Gründen und wegen der Strömungsverhältnisse unvorteilhaft. Weiterhin
dürfte wegen der Kerbwirkung der Schlitze auch die Festigkeit des Wabenkörpers
beeinträchtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Kontaktierung eines
PTC-Wabenkörpers zum Aufheizen hindurchströmender Medien fertigungstechnisch ein
fach und strömungstechnich günstig zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch die in den beiliegenden Patentansprüchen beschriebene
Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet sehr vielfältige Freiheitsgrade in der Konstruk
tion und Bemessung hinsichtlich solcher Parameter, wie
- - Medientemperatur und -temperaturdifferenz (Aufheizung)
- - Strömungswiderstand und Volumenstrom
- - Geometrische Abmessungen insbesondere Außenabmessungen
- - Elektrische und thermische Leistung
- - Spannungspotential der Stromversorgung
- - Kaltwiderstand.
Interessante Anwendungsgebiete ergeben sich bei der Beheizung von Fahrzeugen,
ohne sich darauf zu beschränken.
- - KFZ-Zusatzheizung, wenn die Abwärme moderner sparsamer Verbrennungsmoto ren nicht mehr zur Heizung ausreicht
- - schnelle Frontscheibenheizung bei kaltem Motor
- - alleinige Heizung bei Elektrofahrzeugen.
Weitere, ebenfalls nicht einschränkend aufzufassende, Verwendungsmöglichkeiten
ergeben sich für kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raumheizlüfter.
Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 prinzipielle Gestalt eines Wabenkörpers
Fig. 2 Polaritätsschema bei Kontaktierung über die Kanalwandungen
Fig. 3 Kontaktierung eines Wabenkörpers nach den Ansprüchen 2 und 3
Fig. 4 Kontaktierung eines Wabenkörpers nach Anspruch 4 bis 6.
Unabhängig von der technischen Ausführung der erfindungswesentlichen Kontaktie
rung wird zunächst beispielhaft ein geeigneter Wabenkörperwerkstoff und dessen
Herstellung beschrieben:
Ein solcher Werkstoff ist ein Keramikwerkstoff, welcher der folgenden chemische Summenformel entspricht:
Ein solcher Werkstoff ist ein Keramikwerkstoff, welcher der folgenden chemische Summenformel entspricht:
La0,0028 Ca0,22 Ba0,7772 Ti1,015 Si0,02, Mn0,0006.
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 Pla
stifikatoren die Extrusionsformgebung zu Wabenkörpern gefolgt vom keramischen
Fertigbrand.
Die fertige Keramik hat folgende elektrischen Eigenschaften:
spezifischer Widerstand bei 20°C: 50 Ωcm
Rmax/Rmin: 2,2×105
Tc: 100°C
Tmax: 232°C
Spannungsfestigkeit: ≧ 150 V/mm.
Rmax/Rmin: 2,2×105
Tc: 100°C
Tmax: 232°C
Spannungsfestigkeit: ≧ 150 V/mm.
Fig. 1 zeigt einen daraus gefertigten Wabenkörper 1 in einer perspektivischen Dar
stellung, die das Prinzip erkennen läßt. Der Wabenkörper 1 ist von Kanälen 2 in re
gelmäßiger Anordnung durchzogen, zwischen den sich Wandungen 3 befinden. Für
den erfindungsgemäßen Anwendungsfall sind die Kanäle an ihrem Umfang durch
gehend mit einer nicht gesondert dargestellten Kontaktmetallisierung versehen.
Damit ein Strom fließen und die Ohmsche Erwärmung der Wandungen 3 erfolgen
kann, muß an die Kontaktmetallisierungen eine Stromquelle mit schachbrettartig
wechselnder Polarität angelegt werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Kontaktierung der Kanalwandungen kann nach Fig. 3 (Ansprüche 2 und 3) von
beiden Stirnseiten des Wabenkörpers 1 aus, ebenfalls schachbrettartig versetzt,
durch Blechteile 4 erfolgen, bei denen den Kanälen 2 entsprechende Querschnitte
wechselweise, vorzugsweise etwas größer als der Kanalquerschnitt zur Bildung von
Öffnungen 5 ganz ausgeschnitten oder, vorzugsweise durch diagonale Schnitte zu
Kontaktzungen 6 aus der Ebene des Blechteils 4 herausgebogen sind. Diese Kon
taktzungen 6 müssen kraftschlüssig (durch ihre Federwirkung) oder stoffschlüssig
(beispielsweise durch Löten) mit der Metallisierung der Kanalwandungen verbunden
werden, damit über eine Kontaktzunge 7 die Stromzuleitung erfolgen kann. Da das
Blechteil 4 an der anderen Stirnseite des Wabenkörpers 1 mit seinen Kontaktzungen
6 schachbrettartig versetzt und mit seiner Kontaktzunge 7 an den anderen Pol der
Stromquelle angeschlossen ist, kann der erfindungswesentliche Stromfluß durch die
Kanalwandungen 3 erfolgen.
Fig. 4 stellt eine andere Kontaktierungsmöglichkeit durch stirnseitige Metallisie
rungsleiterbahnen 8 dar, die in einem bestimmten Schema um die Kanten der Ka
nalöffnungen herum eine Verbindung zu den metallisierten Kanalwandungen schaf
fen. Dabei ist wichtig, durch Ausbildung von Mäandern 9 ebenfalls die erfindungs
wesentliche Schachbrettanordnung zu verwirklichen. Die Leiterbahnen 8 einer Po
larität sind zu einer Anschlußmetallisierung 10 an der Außenfläche des Wabenkör
pers 1 geführt. Die Kontaktierung der anderen Polarität erfolgt ebenfalls wieder
schachbrettartig versetzt von der anderen Stirnseite des Wabenkörpers 1 her, wobei
die Leiterbahnen 8, je nach den konstruktionsmäßigen Anforderungen parallel oder
gekreuzt zu den Leiterbahnen 8 der anderen Stirnseite verlaufen können.
Claims (7)
1. Elektrisches Widerstandheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstands
material mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Wider
stand), wobei die von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle
metallisierte Wandungen aufweisen, die von der Stirnseite des Wabenkörpers her
unter Freilassung der Kanalquerschnitte schachbrettartig wechselseitig elektrisch
kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die allseitig metallisierten Wandun
gen der Kanäle (2) durch ausschließlich stirnseitig strukturierte Flächen- und Kan
tenmetallisierungsmuster alternierend an die beiden Pole einer Stromquelle ange
schlossen sind.
2. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die allseitig metallisierten Wandungen der Kanäle (2) durch vorzugsweise aus
gestanzte, stirnseitig aufliegende Blechteile (4) mit dem Kanalquerschnitt jeweils
entsprechenden Öffnungen kontaktiert sind, wobei das Blech (4) im Bereich der Öff
nungen in Schachbrettanordnung wechselweise ganz entfernt (5) bzw. zur Kontak
tierung der metallisierten Wandung zum Wabenkörper hin herausgebogen ist (6).
3. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 2 mit Kanälen quadrati
schen oder rechteckigen Querschnittes, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (4)
in Schachbrettanordnung in Form von vier, durch Schnitte entlang der Diagonalen
des Querschnittes gebildeten Dreiecken (6) herausgebogen ist.
4. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß stirnseitig auf den Kanalwandungen in Form von Mäandern (9) aufgebrachte
Leiterbahnen (8) im Wechsel zwischen einer Kantenmetallisierung der Kanäle (2)
beiderseits der Wandungen in einer Hauptrichtung verlaufen.
5. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterbahnen (8) für beide Pole der Versorgungsspannung auf der gleichen
Stirnseite des Wabenkörpers (1) angebracht sind.
6. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterbahnen (8) für beide Pole der Versorgungsspannung auf gegenüber
liegenden Stirnseiten des Wabenkörpers (1) angebracht sind.
7. Elektrisches Widerstandsheizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptrichtungen der Leiterbahnen (8) auf den beiden Stirnseiten des Wa
benkörpers (1) senkrecht zueinander verlaufen.
Priority Applications (1)
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DE1998104496 DE19804496A1 (de) | 1998-02-05 | 1998-02-05 | Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand) |
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