DE2410999A1

DE2410999A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2410999A1
Application number: DE2410999A
Authority: DE
Inventors: Shigetaka Wada; Noboru Yamamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1974-09-12
Also published as: GB1427676A; JPS5148815B2; NL161030C; JPS49114130A; US3927300A; DE2410999B2; NL7403188A

Description

NGK INSUSATORS , LTD. NAGAYA / JAPAN

Heizvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der in dem folgenden verwendete Ausdruck

"ßienenwabenstruktur soll eine Konfiguration bedeuten, welche eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Kanälen aufweist, wobei ein großes Oberflächenvolumenverhältnis auftritt.

Es ist bereits bekannt, als Heizelemente metallische oder keramische Körper zu verwenden, welche entweder einen negativen oder positiven Temperaturkoeffi-

409837/088 5 ordinal inspected

zienten aufweisen. Da Metalle einen kleinen spezifischen Widerstand aufweisen, werden sie in der Regel in Verbindung mit Heizelementen in länglicher Form verwendet. Falls derartige Heizelemente beispielsweise in einem II-Trockner eingebaut v/erden, und zur Erzielung eines Luftstroms ein Ventilator vorgesehen ist, dann besteht die Gefahr, daß die Heizelemente überhitzt werden, falls der Ventilator aus irgendwelchen Gründen außer Betrieb gelangt oder der Luftstrom durch ein Handtuch oder einen ähnlichen angesaugten Gegenstand unterbrochen wird. Dadurch kann entweder das Heizelement durch Abschmelzen der Heizdrähte zerstört werden oder es kann auch ein Feuer ausgelöst v/erden.

Keramikkörper mit einem negativen Temperaturkoeffizienten werden in der Praxis als Stäbe ausgebildet, welche mit einem Paar von Elektroden versehen werden. Bei Verwendung derartiger Keramikkörper - beispielsweise aus Siliziumkarbid - muß zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge bei Vermeidung der Gefahr einer überhitzung eine Anzahl derartiger Elemente vorgesehen sein, es sei denn eine zusätzliche Temperatursteuerung ist vorhanden. Dies wiederum hat zur Folge, daß derartige Heizelemente relativ komplex aufgebaut werden müssen, während gleichzeitig die Gefahr besteht, daß ein Bruch derartiger Heizelemente stattfindet. Dies wiederum hat zur Folge, daß derartige Heizelemente für Haushaltsgeräte nicht besonders geeignet sind.

Es sind fernerhin Heizwertelemente aus PTC-Keramikkörpern d.h. halbleitendem Bariumtitanat bekannt, auf deren scheibenförmiger Form ein Paar von Elektroden angeordnet sind. Hit derartigen Heizelementen können jedoch nur einige Watt pro Heizelement in Wärme umgesetzt v/erden. Um jedoch die Wäremabgabe um einen Faktor 1o zu

409837/0885

erhöhen, muß eine große Strahlplatte zusätzlich vorgesehen sein. Derartige Heizelemente erweisen sich jedoch aus konstruktionstechnischen Gründen als nicht besonders geeignet. Um auf elektrische Weise Wärmemengen in der Größenordnung von 1 KW zu erzeugen, muß eine Anzahl derartiger Heizelemente vorgesehen sein, welche jeweils eine derartige Strahlungsplatte aufweisen. Dies erweist sich jedoch als sehr unpraktisch, sodaß derartige Heizelemente für Heizgeräte nicht geeignet erscheinen.

Es ist fernerhin ein Heizelement mit einem

zylindrischen PTC-Keramikkörper bekannt, welches entlang seiner Innen- und Außenflächen mit Elektroden versehen ist. Um mit derartigen Heizelementen größere Wärmemengen erzeugen zu können, muß ein derartiges Heizelement eine Oberfläche von

2
ungefähr 1ooo cm aufweisen, was bei einem Durchmesser von 5 cm eine Länge von größer als 3o cm notwendig macht. Dies wiederum hat zur Folge, daß im Vergleich zu Standard-Heizelementen das Volumen eines derartigen Heizelementes zu groß ist. Die mechanische Festigkeit eines derartigen Heizelements verringert sich ferner bei größeren Abmessungen, sodaß derartige Heizelemente in der Praxis wenig Bedeutung besitzen.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es demzufolge Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Heizvorrichtung zu schaffen, bei v/elcher das verwendete Heizelement bei sehr kleinem Volumen große Wärememengen abgeben kann, wobei keine Gefahr einer Überhitzung oder eines Bruches besteht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Heizvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, indem die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale vorgesehen sind.

409837/0885

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können Lufterhitzer, Trockner einschl. Haar- und Handtuchtrockner, Flüssigkeitserhitzer, Luftanfeuchter, Verdampfer und dergleichen hergestellt v/erden.

Die vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich anhand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben v/erden, v/obei auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verv/endeten Heizelementes,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung verv/endeten Heizelementes,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der abgestrahlten Wärmemenge in Abhängigkeit der zugeführten Luftmenge,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Lufttrockners,

409837/0885

^Fig· ⁷ . 2Λ10999

eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Durchlauferhitzers, und

Fig. 8

eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines gemäß der vorliegenden Erfindung gebauten Luftbefeuchters.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht das gemäß der vorliegenden Erfindung gebaute Heizelement 1 aus einem Körper in Bienenv/abenkonfiguration, welcher mit einer Mehrzahl von durchlaufenden Kanälen 2 versehen ist, welche parallel zueinander verlaufen. Die einzelnen Kanäle 2 v/erden durch Trennwände 3 begrenzt, welche im wesentlichen eine gleichförmige Dicke aufweisen. Aufgrund der Bienenv/abenkonfiguration ergibt sich ein äußerst hohes Oberflächenvolumenverhältnis. Die Trennwände 3 sind an gegenüberliegenden Enden und zwar senkrecht zur Axialrichtung der Kanäle 2 mit einem Paar von Elektroden 4, 5 versehen. Die Dicke der Trennwände 3 und der ohmschen Elektroden 4,5 ist zur besseren Erkennbarkeit in den Fig. 1 und 2 vergrößert dargestellt.

Das Heizelement 1 wird zweckmäßig wie folgt hergestellt. BaCO₃, TiO₃, SiO₃ und La₂O₃ v/erden mit *Molverhältnissen von 1,oo : 1,o2 : o,o2 : o,oo3 innerhalb einer Kugelmühle mit Gummibeschichtung während 12 Stunden miteinander gemischt und anschließend während drei Stunden bei I.I00 C getrocknet und calciniert. Das calcinierte Rohmaterial v/ird daraufhin mit Hilfe eines Doppelwalzenzerbrechers mit Aluminiumoxydrollen pulverisiert, worauf das zerbrökelte Material innerhalb einer Kugelmühle mit Gummi aus legung während sechs Stunden^ülverisiert v/ird. Die feinpulverisierten Teilchen werden durch ein Gitter mit Gitterabständen von 149 u durchgeschüttelt und an-

409837/0885

schließend getrocknet. Zu 1oo Gev/ichtsteilen des getrockneten Pulvers v/erden 4 Gewichtsteile von Ilethylzellulose, 16,5 Kubikzentimeter einer 12%igen Polyvinyl-Alkohol-Wasserlösung, 3 Gewichtsteile von Polyäthylenglykol und 8,5 Gewichtsteile von Wasser hinzugefügt. Die Mischung wurde dann in einem Mischer gemischt und innerhalb eines entgasenden Kneters entgast. Das auf diese Weise hergestellte Produkt wurde dann durch eine der Bienenwabenkonstruktur entsprechende Düse gedrückt, wodurch ein der Bienenwabenstruktur entsprechender Rohling hergestellt wurde. Der Rohling wurde anschließend mit Hilfe eines Gefrierverfahrens unter Verwendung von Trockeneis getrocknet und anschließend innerhalb eines elektrischen Ofens mit Siliziumkarbid-Heizelementen während zwei Stunden auf 135o C gebrannt. Auf diese Weise wurde ein säulenförmiger Körper mit einer Bienenwabenstruktur hergestellt, der einen Durchmesser von 4 cm und eine Dicke von 1 cm aufwies, wobei die Dicke der Länge der Kanäle entspricht. Dieser Körper wies eine Mehrzahl von Kanälen auf, welchejeweils einen quadratischen Querschnitt aufwiesen, deren Seitenlänge o,195 cn betrug. Die Trennwände wiesen dabei eine Dicke von o,o3 cm auf. Die auf diese Weise hergestellte Bienenwabenstruktur besitzt ein Oberflächenvolumenver-

2
hältnis von ungefähr 16 cm pro ecm und eine gesamte Ober-

fläche von ungefähr 2oo cm . Die Elektroden wurden anschließend auf die Endoberflächen senkrecht zu der Richtung der Kanäle angebracht, wodurch das Heizelement vollendet wurde.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch andere keramische Zusammensetzungen verwendet werden, welche einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Derartige Zusammensetzungen sind beispielsweise in der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 256 368 vom 24. Mai 1972 und den US-PS 2 981 699, 3 373 12o und 3 441 517 beschrieben. Die Bienenwabenstruktur kann auch auf andere Weise

409837/088 5

erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Preßverfahren verwendet werden, in dem ein Rohrbündel von Keranikrohlingen erzeugt wird, worauf das Bündel als Ganzes gebrannt wird. Ferner kann ein Beschichtungsverfahren verwendet werden, indem die in einem organischen Lösungsmittel in Suspension gehaltenen Materialteilchen auf der Oberfläche eines Papierblattes zum Haften gebracht werden, worauf das beschichtete Papierblatt in die gewünschte Form gebracht wird, worauf dann schließlich der Brennvorgang des auf dem Papierblatt aufgebrachten Keramikblattes durchgeführt wird, so wie dies beispielsweise in der US-PS 3 112 beschrieben ist. Anstelle von quadratischen Kanalquerschnitten gemäß Fig. 1 und 3 können fernerhin dreiecksförmige hexagonale oder andere polygonale und kreisförmige Querschnitte verwendet werden.

Gemäß Fig. 1 ist die äußere Konfiguration der Bienenwabenstruktur des Heizelementes zylindrisch ausgebildet. Gemäß Fig. 3 und 4 kann jedoch die äußere Konfiguration der Bienenwabenstruktur ebenfalls kubisch oder säulenförmig mit polygonalen Querschnitt sein.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Bienenwabenstruktur an ihren senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle verlaufenden Endflächen mit ohmschen Elektroden versehen. Die ohmschen Elektroden können jedoch auch an anderen Stellen der Bienenwabenstruktur angeordnet sein. Gemäß Fig. 3 und 4 können an den Seitenflächen 6, 7 welche im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Kanäle 2 verlaufen, an gegenüberliegenden Seiten ein Paar von Elektroden 8, 9 vorgesehen sein. Die Anordnung der ohmschen Elektroden an den oberen und unteren Endflächen senkrecht zur Längsrichtung der Kanäle 2 oder an den Seitenflächen der Bienenwabenstruktur und zwar parallel zu der Längsrichtung der Kanäle kann entsprechend der äußeren Konfiguration der Bienenwabenstruktur, der mechanischen Festigkeit, der Verwendung der

409837/088S

betreffenden Bienenv/abenstruktur, der !!enge der abzustrahlenden Wärme, Konstruktionsanforderungen bezüglich dem Einbau in eine Heizvorrichtung und anderen Gegebenheiten gewählt werden.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist die Dicke der Trennwände 3 und der Elektroden 8, 9 in vergrößertem Maßstab dargestellt.

Die Elektroden können an den äußeren Oberflächen der Bienenwabenstruktur mit bekannten Verfahren befestigt werden, so wie sie beispielsweise in der US-PS 3 676 211, der GB-PS 1 252 49o, dem Artikel "Electrodes for Ceramit BArium Titanate Type Semiconductors" von H.II. Landes, Journal of Applied Physics, 1965, VoI 36, Nr. 6, Seiten 2ooo bis 2oo1 beschrieben sind. Im Hinblick auf die Herstellung eines möglichst zuverlässig arbeitenden Heizelementes erweist es sich jedoch als zweckmäßig, die Elektroden wie folgt herzustellen:

Falls die Elektroden an den Oberflächen befestigt werden sollen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle 2 verlaufen, so wie dies in den Fig. 1 und 2 der Fall ist, erweist es sich als zweckmäßig, ein Verfahren mit Aufbacken einer Silberpaste, ein Verfahren mit dem Aufsprühen von heißem Aluminium oder ein Verfahren zur Beschichtung mit Nickel zu verwenden, während im Fall der Verwendung von ohmschen Kontakten an den Außenflächen der Bienenwabenkonfiguration parallel zu der Längsrichtung der Kanäle gemäß Fig. 3 und 4 ein Verfahren des Aufsprühens von heißem Aluminium als zweckmäßig erscheint. Diese Verfahren sollen in dem folgenden beschrieben werden.

Das Verfahren mit dem Aufbacken von Silberpaste besteht darin, daß auf dem Keramikkörper mit Hilfe eines Gitterdruckverfahrens Silberpaste aufgebracht wird, worauf die beschichteten Oberflächen gebacken werden. Silberpaste

409837/0885

Kon den sa-

mit Zusammensetzungen wie sie beispielsweise für toren verwendet v/erden, d.h. beispielsweise Silerpaste 7o95 der Fa. Du Pont de Nemours , ergibt keine ohmschen Kontakte, welche inVerbindung mit PTC-Keramikkörpern geeignet sind. Diese Nachteile können vermieden werden, indem Silberpasten verwendet v/erden, die Indium enthalten. Derartige Silberpasten mit Indium sind jedoch teuer.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde demzufolge eine Silberpaste verwendet, v/elche Zink im Gewichtsverhältnis 2:1 bis 4o:1 Glaspulver und organisches Lösungsmittel enthält. Diese Silberpaste wurde nach der Beschichtgebacken.

Beschichtung im Temperaturbereich zwischen 42o und 55o C

Es erweist sich als zweckmäßig, derartige Silberpasten bei PTC-Keramikkörpern zu verwenden, deren Curie-Temperatur Tc niedriger als etwa 15o°C ist. Der Grund dafür liegt darin, daß bei Temperaturen oberhalb von 2oo C Silber eine Oberflächendiffusion durchführt, sodaß die Gefahr besteht, daß über lange Zeiträume hinweg bei Temperaturen von oberhalb als 2oo°C die mit Silber beschichteten Oberflächen gegeneinander kurzgeschlossen werden.

Mit Hilfe des Λ1uminiumspruhverfahrens können Elektroden hergestellt werden, wobei die bisher bei den Silberpastenverfahren auftetenden Probleme eliminiert v/erden. Bei dem Aluminiumsprühverfahren wird in der Regel Aluminium gegen die Oberflächen des Keramikkörpers sankrecht zu der besprühten Oberfläche gesprüht, um die Haftung des Aluminiums auf den Oberflächen zu verbessern, so wie dies in der US-PS 3 676 211 beschrieben ist. Falls das Aluminium parallel zu den Endoberflächen des Bienenwabenkörpers, d.h. im wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung der Kanäle, gesprüht wird, dann gelangt Aluminium an den Innen-

409837/0885

- 1ο -

wandungen der Oberfläche der Kanäle zum Haften, wodurch die gesprühten Oberflächen kurzgeschlossen werden. Um dies zu vermeiden, wird im Rahmen der vorliegendenErfindung das Aluminium unter einem Winkel schräg gegen die Oberfläche gesprüht, v/ob ei der Winkel zwischen 1o und 6o°, vorzugsweise zv/ischen 15 und 45°, senkrecht zur Axialrichtung der Kanäle liegt.

Bei dem Nickelpiatierverfahren wird der ganze Keramikkörper mit Nickel beschichtet. Dieses Verfahren kann somit nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann jedoch das nickelplatierte Verfahren so abgewandelt werden, daß das Nickel nur an die Oberflächen gebracht wird, welche im wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung der Kanäle verlaufen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Bienenwabenstruktur in Siliziumharz oder -wachs eingetaucht wird, wodurch der ganze Körper mit Harz oder Wachs abgedeckt wird. Anschließend daran werden die im wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung der Kanäle verlaufenden Oberflächen abgerieben, wodurch die Maske an diesen Stellen entfernt wird. Anschließend daran erfolgt eine Aktivierungsbehandlung dieser betreffenden Oberflächen, worauf der Körper in eine Nickel-Salz-Lösung eingetaucht wird, wodurch die ohmschen Elektroden an den betreffenden Oberflächen gebildet v/erden. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Bienenwabenstruktur mit Harz oder Wachs abzudecken, wodurch die Kanäle in ihren Eckpunkten abgerundet werden. Diese abgedeckten abgerundeten Ecken verhindern ein Eindringen der Aktisationsflüssigkext aufgrund der Oberflächenspannung, wodurch verhindert v/ird, daß eine Elektrobeschichtung an den Innenwandungen der Kanäle stattfindet. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß zwischen den Elektroden ein Kurzschluß auftreten kann.

409837/0885

In dem folgenden soll nunmehr eine Heizvorrichtung beschrieben werden, welche mit einem Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist. Bei einer derartigen Heizvorrichtung wird beispielsweise ein Heizelement verwendet, dessen aus PTC-Keramikmaterial bestehende Struktur mit einer Mehrzahl von Kanälen mit einem quadratischen Querschnitt aufweist, wobei die Seitenlänge 0,125 cm beträgt und die Trennwände eine Dicke von o,o2 cm aufweisen. Der Durchmesser der Bienenwabenstruktur beträgt 4 cm, während dessen Länge 1 cm beträgt. Die Curie-Temperatur

TC beträgt 19o°C. Man erhält dabei ein Oberflächenvolumenverhältnis

2 3
von ungefähr 24 cm /cm und eine Gesamtoberfläche von unge-

fähr 3oo cm . Ein derartiges Heizelement ist entlang seiner senkrecht zur Axialrichtung der Kanäle verlaufenden Stirnflächen mit ohmschen Elektroden versehen.

In Fig. 5 zeigt die Kurve 1o1 die Abhängigkeit der mit einer Temperatur von 2o C durch die Kanäle des Heizelementes hindurchgeleiteten Luftmenge Q in cm /min von der von diesem Heizelement abgegebenen Wärmemenge P in Watt> so wie sich dies anhand der Kurve 1o1 ergibt, wird bei

3
einer Zuführmenge von o,1 cm /min. eine Wärmemenge von 2 3o Watt abgegeben. Bei einer Erhöhung der durchgeführten

3 Luftmenge um einen Faktor 5 auf o,5 cm /min. erhöht sich dann die abgegebene Wärmemenge auf 45o Watt. Wenn hingegen die durch das Heizelement hindurchgeleitete Luftmenge auf etwa Null reduziert wird, d.h. wenn die Zwangsbelüftung unterbrochen wird und nur die natürliche Konvektion der Luft ausgenützt wird, dann reduziert sich die abgegebene Wärmemenge auf ungefähr 2o Watt.

So wie dies bereits erwähnt worden ist, kann das sehr kleinvolumig ausgebildete Heizelement große Wärmemengen abgeben, sobald verschiedene Medien einschließlich Luft durch die Kanäle hindurchgeleitet werden. Aufgrund der besonderen Bauweise des Heizelementes kann bei Ver-

409837/0885

Wendung eines Ventilators einer Pumpe des Wasserdruckes des Stadtnetzes usw. ein Überhitzen des Heizelementes vermieden werden, selbst wenn das Medium aus irgendwelchen Gründen zum Stillstand gebracht wird. Dabei entfällt die Notwendigkeit des Vorsehens einer Sicherheitseinrichtung, wie Temperaturschmelzsicherung, Thermostat und dergleichen.

Bei einer Heizvorrichtung mit einem Heizelement gemäß der vorliegendenErfindung und zusätzlich einer Fördereinrichtung eines Mediums durch das Heizelement besteht fernerhin die Ilöglichkeit, die Menge der abgegebenen Wärme zu verändern, indem die durch das Heizelementyhindurchgeleitete Menge des Mediums verändert wird. Auf diese Weise entsteht die Möglichkeit, relativ große elektrische Leistungen mit Hilfe von relativ geringer elektrischer Leistung zu steuern.

Falls als Medium Luft verwendet wird, kann eine Luftmenge in der Größenordnung von etwa o,2 cm /min. mit Hilfe eines Ventilators gefördert v/erden, welcher von einem elektrischen Motor mit ungefähr 2o Watt angetrieben wird. So wie sich dies anhand von Fig. 5 ergibt, bewirkt die Steuerung eines 2o-Watt-Motors im Hinblick auf seine Drehzahl eine Steuerung der abgegebenen elektrischen Leistung in der Größenordnung von 3oo Watt, was im Vergleich zu 2o Watt ungefähr 15mal größer ist..

Bei einem Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung muß das Oberflächen-Volumenverhältnis der Bienenwabenstruktur relativ groß gemacht werden. Selbst wenn die pro Zeiteinheit durch das Heizelement hindurchgeleitete Luftmenge dieselbe ist,ist die Wärmeabgabe umso größer, je größer das Oberflächenvolumenverhältnis ist. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf ein Heizelement bezug genommen, dessen aus PTC-Keramikmaterial bestehende Bienenwabenstruktur mit einer Mehrzahl von Kanälen quadratischen

409837/0885

Querschnitts versehen ist, wobei die Seitenlänge dieser Kanäle o,195 cm beträgt. Die Trennwände v/eisen in diesem Fall eine Dicke von o,o3 cm auf. Der Durchmesser des Heizelements beträgt 4 cm, während die Länge der Kanäle 1 cm beträgt. Die Curie-Temperatur TCbeträgt 19o°C. Es ergibt sich dabei ein Oberflächenvolumenverhältnis von

2 3

ungefähr 16 cm /cm und eine Gesamtoberfläche von ungefähr

2oo cm . Dieses Heizelement ist aus demselben Keramikmaterial hergestellt wie das, bei welchem die Kurve 1o1 bestimmt worden ist. An den beiden Stirnflächen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle verlaufen, sind ohmsche Elektroden vorgesehen. In rig. 5 zeigt die Kurve 1o2 grafisch die Abhängigkeit der mit 2o C zugeführten Luftmenge Q m /min. von der durch das Heizelement abgegebenen Wärmemenge P in Watt.Ein Vergleich der Kurven 1o1 und 1o2 zeigt, daß die abgegebene Wärmemenge P in Watt bei der Kurve 1o1, d.h. bei einem Oberflächenvolumenver-

2 3

hältnis von ungefähr 24 cm /cm größer ist als bei der Kurve 1o2, bei welcher das Oberflächenvolumenverhältnis

2 3

ungefähr 16 cm /cm beträgt.

Der Reibungswiderstand des durch die einzelnen Kanäle hindurchströmenden Mediums ist proportional zu dem Oberflächenvolumenverhältnis bei derselben Kanalkonfiguration. Demzufolge sollte das Oberflächenvolumenverhältnis in Übereinstimmung mit der Art des Mediums und der Fördereinrichtung für das Medium bestimmt werden; dabei erweist es sich als vorteilhaft, das Oberflächenvolumenverhältnis

2 3 in dem Bereich zwischen 1o und 6o cm /cm festzulegen. Dabei sei erwähnt, daß Strukturen mit öffnungen, welche beispielsweise durch Bohren hergestellt sind, keine derart dünnen Trennwände zwischen den Bohrungen aufweisen können, sodaß das Oberflächenvolumenverhältnis nicht innerhalb das

2 3 Bereiches zwischen 1o und 6o cm /cm liegen kann.

409837/0885

Die Curie-Temperatur Tc des aus PTC-Keramikmaterial bestehenden Heizelementes wird entsprechend dem Verwendungszweck des Heizelementes gewählt. Falls das Heizelement für einen Haartrockner verwendet wird, dann sind die äußeren Abmessungen des Heizelementes im wesentlichen vorgegeben. Demzufolge wird die Curie-Temperatur Tc des Heizelementes relativ hoch gelegt, damit das Heizelement die gewünschte Wärmemenge abgeben kann. Dabei erscheint es jedoch einleuchtend,daß die abgegebene Wärmemenge nicht nur von der Curie-Temperatur Tc des PTC-Keramikmaterials, sondern auch von dem Oberflächenvolumenverhältnis der Bienenwabenstruktur abhängt. Bei Haartrocknern erscheint es dabei im allgemeinen zweckmäßig, die Curie-Temperatur Tc in denTemperaturbereich zwischen 15o und 2oo C zu legen.

So wie dies in dem folgenden noch beschrieben sein soll, können für die Herstellung einer Heizvorrichtung eine Γ lehrzahl von Heizelementen verwendet werden, falls eine bestimmte Wärmemenge und andere Konstruktionsparameter dies notwendig erscheinen lassen. In jenem Fall kann ein bekanntes Heizelement, beispielsweise aus Nickel,-Chrom-Draht in Verbindung mit derartigen Heizelementen verwendet werden. Obwohl derartige Heizelemente sowohl in Serie wie auch im Parallel geschaltet werden können, erweist es sich trotzdem als vorteilhaft, dieselben parallel zueinander anzuordnen.

Fig. 6 zeigt eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, welche in diesem Fall als Lufterhitzer ausgebildet ist. Gemäß Fig. 6 besteht der Lufterhitzer 1o aus einem Heizelement 1 und einen durch einen Elektromotor 11 angetriebenen Ventilator 12. Mit Hilfe dieses Ventilators 12 wird die Luft durch die Mehrzahl von Kanälen des Heizelements 1 hindurchgeleitet. Der Ventilator 12 ist in diesem Fall gegenüber den Kanälen der Bienenwabenstruktur des Heizelementes 1 ausgerichtet. Die ganze Anordnung ist

409837/0 885

innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet. Das Heizelement ist an seinen gegenüberliegenden Stirnflächen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle verlaufen, mit ohmschen Elektroden versehen. Diese ohmschen Elektroden stehen in Verbindung mit Abschlußplatten 14, 15, zwischen welchen das Heizelement 1 angeordnet ist. Zusätzlich sind nicht dargestellte Isolierstücke zwischen- den Abschlußplatten 14, 15 und dem Gehäuse 13 vorgesehen, sodaß dieselben voneinander isoliert gehalten sind.

Der Lufterhitzer 1o gemäß Fig. 6 arbeitet wie folgt. Sobald ein Schalter 16 in die An-Position gebracht wird, wird der Ventilator 12 in Drehung versetzt, wodurch durch eine Einlaßöffnung 17 Luft angesaugt wird, die durch das Heizelement 1 geleitet wird. Zur gleichen Zeit wird durch das Heizelement 1 elektrischer Strom geleitet, sodaß dasselbe Wärme abgibt. Demzufolge wird die durch die Kanäle des Heizelements 1 hindurch geleitete Luft erwärmt, welche dann auf der Austrittsseite des Lufterhitzers 1o abgegeben wird. Zwischen den Ein- und Aus-Stellungen des Schalters 16 kann zusätzlich eine Schalterposition vorgesehen sein, in welcher der Ventilator 12 angetrieben wird, während das Heizelement 1 abgeschaltet ist.

Sobald der Ventilator 12 aus irgendwelchen Gründen zum Stillstand gelangt oder die Einlaßöffnung 17 durch ein Handtuch, einen Vorhang usw. verstopft wird, demzufolge durch die Vielzahl von Kanälen des Heizelementes keine Luft hindurchgelangt, dann wird die von dem Heizelement 1 abgegebene Wärmemenge falb das Heizelement 1 eingeschaltet ist, relativ gering, so wie dies bereits beschrieben worden ist. Demzufolge besteht keine Gefahr, daß das Heizelement 1 überhitzt wird bzw. ein Feuer auftreten kann, selbst wenn auf das Vorsehen einer besonderen Schutzeinrichtung -beispiels weise einer Temperatursieherung, eines Thermostaten oder dergleichen - verzichtet wird. Der in Fig. 6 dargestellte

409837/088 5

Lufterhitzer kann mit oder ohne geringfügiger Modifikationen als Haartrockner, Haus- oder industrieller Trockner, Handtuchtrockner, Raumerhitzer und dergleichen verwendet v/erden.

Fig. 7 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Durchlauferhitzers für Flüssigkeiten. Gemäß Fig. 7 weist der Durchlauferhitzer 18 ein Heizelement 1 aus eine PTC-Keramikmaterial auf, welches mit einem rechteckigen parallelelyptischen Bienenwabenstruktur versehen ist, in welcher eine Mehrzahl von Kanälen quadratischen Querschnitts mit Seitenlängen von ο,18 cm und Trennwandungen mit einer Dicke von o,o4 cm angeordnet sind. Die Bienenwabenstruktur besitzt dabei eine Seitenabmessung von 4 cm und eine Dicke, d.h. Länge der Kanäle, von 6 cm. Die Curie-Temperatur Tc des

Keramikmaterials beträgt 12o°C. Es treten dabei Oberflächen-

2 3

volumenverhältnisse von ungefähr 15 cm /cm und eine Gesamt-

2
oberfläche von 15oo cm auf. Die ohmschen Elektroden sind an den Seitenflächen der Bienenwabenstruktur angeordnet und zwar im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung der Kanäle. Das Heizelement 1 ist in diesem Fall zusätzlich mit einer Isolierschicht 21 umgeben und innerhalb eines Gehäuses 22 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich ein Rohrabschnitt 2o vorgesehen, mit welchem das Wasser den Kanälen der Bienenwabenstruktur zugeführt wird. Der Rohrabschnitt 2o ist fernerhin mit einem Einlaßrohr 19 verbunden, das beispielsweise an einem Wasserhahn des Stadtnetzes angeschlossen ist. Das durch die Mehrzahl von Kanälen des Heizelementes hindurchgeleitete Wasser wird demzufolge erwärmt und im Bereich eines Aüslaßrohres 2 3 abgegeben.

Der Durchlauferhitzer 18 gemäß Fig. 7 arbeitet wie folgt. Sobald der Schalter 16 in die Position An gebracht worden ist, wird von dem Heizelement 1 Wärme abgegeben, demzufolge heißes Wasser aus dem Auslaßrohr 2 3 strömt. Falls dem Durchlauferhitzer 18 Wasser des Stadtnetzes mit 2o C und einer Geschwindigkeit von 1 Liter/min, zugeführt wird

409837/0885

und an den Elektroden eine Spannung von 2 4o Volt angelegt wird, dann strömt aus dem Auslaßrohr 2 3 Wasser mit ungefähr einer Temperatur von 6o°C ab. In diesem Fall beträgt die abgegebene Wärmemenge 2,9 Kilowatt. Wenn jedoch die Wasserzufuhr unterbrochen wird, dann verringert sich die abgegebene Wärmemenge auf weniger als 1oo Watt, sodaß keine Gefahr besteht, daß das Heizelement 1 überhitzt wird.

Die elektrische Isolation der beiden Elektroden gegenüber einer elektrischen leitfähigen Flüssigkeit,wie beispielsweise Wasser, kann durch vollkommene Beschichtung des ganzen Heizelementes 1 einschl. der Zuführdrähte mit einem korrosionsfesten Material - beispielsweise Chlorharz (Teflon von Du Pont de Hemours, Polyflon, Daiflon und Neoflon vonDaikin Kogyo Co., Osaka) Fluorine-Gummi (Viton von Du Pont), Silikonharz, Silikongummi, Siliconlack usw. erreicht werden. Mit Hilfe einer derartigen Beschichtung kann ferner das Heizelement 1 gegenüber korrosiven Flüssigkeiten wie Säuren und Laugen usw. geschützt v/erden. Ein Schutz des Heizelementes gegenüber korrosiven Flüssigkeiten kann ebenfalls mit Hilfe von dünnen Rohren aus einem nicht korrosiven Material wie rostfreiem Stahl erreicht werden, wobei diese Rohre in' die einzelnen Kanäle des Heizelementes 1 eingeführt v/erden. Die korrosive Flüssigkeit strömt in diesem Fall durch die einzelnen Rohrleitungen, ohne daß dabei ein direkter Kontakt mit der Innenoberfläche der einzelnen Kanäle zustandekommt.

Bei einem Durchlauferhitzer 18 gemäß Fig. 7 ist keine Fördereinrichtung vorgesehen, mit welchem das Medium durch das Heizelement hindurchgeleitet ist, sowie dies bei demLufterhitzer gemäß Fig. 6 der Fall ist. Bei einem Durchlauferhitzer gemäß Fig. 7 ist der Druck bzw. die nach abwärts gerichtete Strömung aufgrund von Gravität des Stadtnetzes ausreichend, um die Flüssigkeit durch das Heizelement hindurchzuleiten. Der Durchlauferhitzer gemäß Fig. 7 ist mit einem Anschluß an dem Stadtnetz verbunden, wodurch das Wasser aus dem Stadtnetz erwärmt wird.

409837/0885

Der Durchlauferhitzer 18 kann jedoch ebenfalls zur Erhitzung von Getränken wie dem japanischen Getränk Sake verwendet werden oder als ölvorheizer für Ölheizungen und dergleichen.

Fig. 8 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Heizvorrichtung, welche in diesem Fall als Luftbefeuchter ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform besteht der Luftbefeuchter 24 aus einem Gehäuse 26, innerhalb v/elchem ein Heizelement 1 und Wasser 25 angeordnet sind. In diesem Fall ist es sehr wichtig, daß eine der Oberflächen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Kanäle der Bienenwabenstruktur verlaufen, kontinuierlich in Berührung mit dem Wasser 25 steht. Um dies zu erreichen, ist eine wasserabsorbierende Matte 27 vorgesehen,welche innerhalb des Raumes oberhalb des Wassers 25 angeordnet ist, auf welcher das Heizelement 1 aufgelegt ist. Die wasserabsorbierende Hatte 27 ist entlang ihrer Periferie mit einem Faserbündel 2 - beispielsweise aus gewebtem Tuch -versehen, welches an einem Ende an der Matte 27 befestigt ist, während das andere Ende in das Wasser 2 5 eintaucht. Das Faserbündel 28 und die Hatte 2 7 gewährleisten, daß das Wasser 25 bis an die eine Oberfläche des Heizelements 1 ansteigt, welche senkrecht zur Axialrichtung der Kanäle der Bienenwabenstruktur verläuft. Dieses Ansteigen verläuft aufgrund der Kapillarwirkung des Faserbündels 2 8 und der Matte 27.

Der Luftbefeuchter 24 gemäß Fig. 8 arbeitet wie folgt. Sobald der Schalter 16 in die Position "An" gebracht wird, wird das mit der einen Oberfläche des Heizelements 1 in Berührung stehende Wasser erwärmt und in Dampf umgewandelt, welcher durch eine am oberen Ende des Gehäuses 26 und zwar oberhalb des Elements 1 angeordnete Öffnung 29 nach außen abgegeben wird.

Bei einem derartigen Luftbefeuchter 24 wurde ein Heizelement 1 vorgesehen, dessen PTC-Keramikmaterial in Form einer Bienenwabenstruktur ausgebildet war. Diese Bienenwabenstrukturwiess eine Mehrzahl von Kanälen auf, welche

409 8 3 7/0885

einen rechteckigen Querschnitt besaßen. Die Seiten dieser Kanäle betrugen o,125 cm, während die Trennwandungen eine Dicke von o,o2 cm aufwiesen. Die Bienenwabenstruktur besaß einen Durchmesser von 3,5 cm und eine Dicke d.h. Länge der Kanäle von 1 cm. Die Curie-Temperatur Tc betrug 19o°C.

Dabei ergab sich ein Oberflächenvolumenverhältnis von unge-

2 3
fähr 24 cm /cm und eine Gesamtoberfläche von ungefähr

24o cm . Auf beiden Oberflächen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Axialrichtung der Kanäle verlaufen, v/aren ohmsche Elektroden vorgesehen. DAs eine Temperatur von etwa 2o°C aufweisende Wasser wurde mit dem Heizelement erwärmt, indem an die ohmschen Elektroden eine Spannung von 1oo V angelegt wurde. Dabei ergab sich eine Verdampfung des Wassers von ungefähr 4 cm /min. Das Gehäuse 26 war an seinerSeitenwandung mit einem Fenster 3o versehen, durch welches Veränderungen des Wasserspiegels beobachtet v/erden konnten. Ferner war eine Öffnung 31 vorgesehen, durch welche Flüssigkeit zugeführt werden konnte, falls der Wasserspiegel zu stark absank.

Der in Fig. 8 dargestellte Luftbefeuchter 24

kann mit oder ohne geringfügige Modifikationen als Verdampfer, Destillator, Verteiler usw. für Haus-und Industriewässer und andere Flüssigkeiten wie Öl verwendet werden.

409837/0885

Claims

112 Patentansprüche

1. kleiz vorrichtung, dadurch gekennzeichnet , ^^ daß ein Heizelement 1 aus einem keramischen Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten vorgesehen ist, welches eine Bienenwaben-Struktur aufweist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement(1)mit einem Paar von Elektroden (4, 5) versehen ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement(1)mit einer
korrosionsfesten Beschichichtung versehen ist.

4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (12, 13) vorgesehen ist, mit v/elcher ein Medium durch das Heizelement (1) geführt ist.

5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium Luft ist.

6. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Medium eine Flüssigkeit ist.

7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit Wasser ist.

8. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit öl ist.

409837/0885

9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (27, 28) vorgesehen ist, mit v/elcher eine Flüssigkeit (25) inBerührung mit einer Oberfläche des Heizelementes (1) gebracht ist.

409837/0 88 5

Leerseite