DE2614433A1 - Selbstregelndes heizelement - Google Patents

Selbstregelndes heizelement

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DE2614433A1 DE19762614433 DE2614433A DE2614433A1 DE 2614433 A1 DE2614433 A1 DE 2614433A1 DE 19762614433 DE19762614433 DE 19762614433 DE 2614433 A DE2614433 A DE 2614433A DE 2614433 A1 DE2614433 A1 DE 2614433A1
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    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Description

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-..■ .<->. PWT 79S 5
"Selbstregelndes Heizelement"
Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoof~ fizienten des elektrischen Widerstandes enthält, der nachstehend auch als PTC-Widerstand, bezeichnet wird.
Derartige Widerstände bestehen gewöhnlich aus gesintertem mit seltenen Erden, Antimon, Niob oder anderen Elementen dotiertem Bariuintitanat oder Gemischen desselben mit Strontivv.;·- titanat und/oder Bleititanat. Die Wärmeleitfähigkeit eines derartigen Materials ist verhältnismäßig gering und demzufolge ist auch die Wärmeableitung in Luft gering. Bei Belastung erreicht der PTC-Widerstand unter· diesen Bedingungen bereits bei einer verhältnismäßig geringen Leistungsaufnahme dia Temperatur, bei der der Widerstand schnell ansteigt (Curietemperatur). Eine verhältnismäßig geringe weitere Temperatur-Steigung hat dann eino verhältnismäßig große Steigung des Widerstandes zur Folge. Dies setzt der Leistung, die aufgenommen und in Form von Viarise abgeleitet werden kann, eine Grenze„
Die Erfindung bezweckt u.a., bei einem Heizelement mit einen- oder mehr PTC-Widerständen als Wärmequelle die Wärmeableitung zu verbesserne Dabei wird ebenfalls die maximal aufnslKibare Leistung vergrößert, weil bei einer verbesserten Wärmeableitung erst bsi einer großen Leistungsaufnahme die PTC-Widerstand© die Curiotemperatur erreichen werden* Ein heizelement mit guter Wärmeableitung ist z.B. aus der britischen Patent-
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schrift 1.305.907 bekannt. In diesem bekannten Heizelement ist der PTC-Widerstand in einem Gehäuse untergebracht und der Rauia im Gehäuse, der nicht von dem PTC-Widerstand eingenommen wird, ist mit einer Flüssigkeit gefüllt.
In der Praxis wiest ein mit Flüssigkeit gefülltes Heizelement aber einige Nachteile auf. Das Gehäuse muß absolut flüssig« keitsdicht sein und. bleiben, auch wenn die Flüssigkeit bein Gebrauch des Elements erhitzt wird und sich auszudehnen sucht* Dies ergibt insbesondere bauliche Probleme bei der Herstellung der Durchführungen der Stromleiter im Gehäuse. Außerdem muß möglichst vermieden werden, daß durch unsachverständigen Gebrauch Lecke entstehen, durch die eine heiße Flüssigkeit frei werden könnte.
Die Erfindung bezweckt, ein selbstregelndes Heizelement mit einem oder mehr PTC-Widerständen zu schaffen, das die obenbeschriebene Aufgabe erfüllt und bei dem die genannten Nachteile möglichst vermieden werden.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem selbstregelnden Heizelement erfüllt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Widerstandskörper zwischen Metallkörpern liegt, die auf der von dem Widerstandskörper abgekehrten Seite in wämeaustauschendem Kontakt an der Innenwand eines Gehäuses anliegen. Die Metallkörper weisen dabei, vorzugsweise an der von dem Widerstandskörper abgekehrten Seite eine Form auf, die annähernd der Form des ciit dem betreffenden Körper zusammenwirkenden Teiles der Oberfläche der Innenwand des Gehäuses entspricht* Wenn das Inners des Gehäuses einen zylindrischen Raum em> hält, in dem die Metallkörper mit zwischen ihnen dem PTC-Widerstand liegen, weisen die Metallkörper bsi dieser bevorzugten Ausführungsform auf der von dem PTC-Widerstand abgekehrten Seite ebenfalls eine zylindrische Form auf. Dies trifft naturgemäß auch zu, wenn der betreffende Ra.ure eine
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andere Form, z.B. eine kegelige Form aufweist. Die Metallkörper können dabei massiv oder hohl sein oder aus mit rechtwinklig abgebogenen Teilen versehenen Metallstreifen bestehen. Die Form und die Abmessungen werden dabei derart aufeinander abgestimmt, daß ein maximaler wärmeaustauschender Kontakt erhalten wird. Vorzugsweise ist die Ausbildung derart, daß ein federnder Kontakt zwischen den Metallkörpern und der Innenwand des Gehäuses erhalten wird. Bei einer vorteilhaften Ausführungsforra der letzteren Möglichkeit bestehen die Metallkörper aus flachen Streifen, die wenigstens an einem sich in der Längsrichtung des Gehäuses erstreckenden Rand mit einem Streifenteil versehen sind, dessen Form annähernd der Form des mit ihm in wärmeaustauschendem Kontakt zusammenwirkenden Teiles der Oberfläche der Innenwand des Gehäuses entspricht. Ein federnder und damit ein gut anliegender thermischer Kontakt wird dabei mittels des letzteren Metallstreifenteiles hergestellt. Ein derartiger Körper kann z.B. dadurch hergestellt werden, daß ein Metallstreifen teilweise abgebogen wird. Falls die Metallkörper massiv oder einstückig, aber hohl ausgebildet sind, wird der federnd-3 Kontakt mittels einer Schicht aus elastischem elektrisch isolierendem Material erhalten, die sich auf der Innenwand des Gehäuses befindet. Zu diesem Zweck kann z.B. eine Schicht aus Silikonharz oder einem anderen Harz, das bei der Betriebstemperatur nicht erweicht oder sich zersetzt und seine elastischen Eigenschaften beibehält, auf der Innenwand eines Gehäuses aus einem verhältnismäßig starren Material vorhanden sein oder kann ein Rohr aus einem derartigen Material verwendet v/erden. Das Harz kann mit einem die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Füllmittel, wie Magnesiumoxid y Aluminiumoxid oder Metallpulver,, gemischt sein.
Es ist einleuchtend, daß der federnde und wärmeaustauschende Kontakt bei der Betriebstemperatur aufrechterhalten werden muß. Die Abmessungen der Metallkörper und deren Eigenschaften
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müssen auf diese Anforderung abgestimmt sein. Die Metallkörper können z.B. aus Aluminium oder Kupfer oder einer Legierung dieser Metalle miteinander oder mit anderen Metallen bestehen. Die in den Widerstandselementen nach der Erfindung zu verwendenden PTC-Widerstände sind vorzugsweise scheibenförmig und können dann eine kreisförmige, sechseckige, quadratische rechteckige oder andere für den Zweck geeignete Gestalt auf v/eisen, wobei zwei einander gegenüber liegende Flächen vorhanden sind, oder sie können stab- oder rohrförmig ausgeführt sein. Die scheibenförmigen Körper werden mit o.en Stirnflächen an Metallkörpern befestigt. Dazu sind die scheibenförmigen Körper an den Stirnflächen mit den üblichen Elektroden versehen, die z.B. aus einer aufgedampften Schicht, aus einer Nickelchromlegierung mit darauf einer dünnen aufgedampften Silberschicht bestehen oder auf andere Weise erhalten sind, z.B. durch elektrodenlose Ablagerung von Nickel. Bei einem stabförraigen Körper können schmale streifenförmige Elektroden in der Längsrichtung des Körpers angebracht werden. Bei rohrförmigen Körpern können sich die Elektroden auf der Innen- und der Außenoberfläche befinden. Die Verbindung kann ausschließlich von wärmeaustauschender Art soin, zu v;elchem Zweck eine Haftschicht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff genügend sein kann. Dabei sind Stromleiter direkt mit dem PTC-Widerstand verbunden. Die Verbindung kann neben wärmeaustauschend auch elektrisch leitend sein. Dasu kann der PTC-Widerstand durch Löten oder mittels einer elektrisch leitenden Paste unter Bildung eines ohirsschen Kontakts rait einem oder den beiden Metallkörpern verbunden werden. Dabei w rkt ein Körper oder wirken beide Körper als Stromleiter. Eine für diesen Zweck geeignete elektrisch leitende Paste kann z.B. aus einem härtbaren Silikonharz-Silberpulver-Ge-rüsch bestehen. Diese Pasten sind an sich bekannt und käuflich erhältlich.
Naturgemäß können sich mehrere PTC-Widerstände auf die be-
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schriebene V/eise zwischen den Metallkörpern befinden.
Bei einer Ausführungsform des selbstregelnden Heizelements, die den Vorteil aufweist, daß eine Einstellung auf verschiedene Temperaturen möglich ist, werden PTC-Widerstände mit verschiedenen Curietemperaturen verwendet. In diesem Zusammenhang ist unter Curietemperatur die Temperatur zu verstehen, bei der eine Änderung in der Kristallstruktur auftritt, die mit einer plötzlichen Steigung des Widerstandes einhergeht. Dadurch, daß die Spannungsquelle von einem auf den anderen PTC-Widerstand umgeschaltet wird, können dann voneinander verschiedene Temperaturen eingestellt werden. In einem derartigen Element sind mindestens zwei PTC-Widerstände mit verschiedenen Curietemperaturen vorhanden, die unabhängig voneinander über Stromleiter mit einer Spannungsquelle verbunden werden können; mindestens einer der PTC-Widerstände ist mittels einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material mit einem der Metallkörper verbunden und kann über einen eigenen Stromleiter mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Für eine detailliertere Beschreibung eines derartigen Elements sei auf die nachstehende FigurbeSchreibung verwiesen» Das Gehäuse kann z.B. zylindrisch ausgeführt sein, wobei wenigstens die Innenwand aus einem anorganischen oder organischen elektrisch isolierenden Material bestehen oder mit einem solchen Material überzogen sein kann. Dazu kann z.B. ein nicht elektrisch leitendes Material, wie Quarzglas, Silikongumini odor keramisches Material, das bei der höchsten Betriebstemperatur des Elements formfest ist, verwendet werden. Das Gehäuse kann einen geschichteten Aufbau aus mindestens einer elektrisch isolierenden innerhalb einer Metallhülse liegenden Schicht aufweisen. Eine derartige Metallhülse, z.B. in Form eines Rohres aus z.B. Kupfer sichert einen guten axialen Wärmetransport. Es ist möglich,, den freien Raum mit elektrisch isolierendem Material, wie z»B. pulverförmiges! Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder einem Kunstharz, wie einem Silikongummi, auszu-
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füllen. Der elektrische Kontakt zwischen den PTC-Widerständen und den Metallkörpern kann durch Löten oder mittels einer elektrisch leitenden Paste, z.B. eines Gemisches von Silikonharz und einem Metallpulver, wie Silberpulver, gebildet werden.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein selbstregelndes Heizelement nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 durch ein solches Element,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsforia eines selbstregelnden Heizelements nach der Erfindung,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsforni eines selbstregelnden Heizelements nach der Erfindung, und
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines selbstregelnden Heizelements nach der Erfindung, das auf zwei verschiedene Temperaturen eiiigestellt v/erden kann.
Die im Längsschnitt in Fig. 1 gezej,gte Ausführ-ungsforra eines selbstregelnden Heizelements enthält drei scheibenförmige PTC-Widerstände 1, 2 und 3, die zwischen zwei Metallkörpern 4 und 5 liegen und mit diesen in wärmeaustauschendem Kontakt stehen und elektrisch leitend verbunden sind. Die Verbindung zwischen den FTC-Widerständen 1, 2 und 3 und den Metallkörpern 4 und 5 kann aus einer Lötschicht bestehen. Das Gänse befindet sich in einem Gehäuse, das aus einem an einem Ende geschlossenen Rohr 6 aus Hartglas besteht, das seinerseits
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in einem an einem Ende geschlossenen Metall- oder Kunststoffrohr 7 angeordnet ist. Erwünschtenfalls kann sich zwischen den Rohrteilen 6 und 7, wenn der letztere Rohrteil aus Metall "besteht, noch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material befinden; diese kann durch Tauchen, Spritzen oder Gießen angebracht sein oder auch aus einer Schrumpfhülse (nicht dargestellt), vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff, wie einem mit Magnesiumoxid gefüllten Silikongummi, bestehen. Der Rohrteil 7 ist mit der Dichtung 8, z.B. aus Silikongummi, verschlossen, die gegebenenfalls mit dem Rohrteil 7 ein Ganzes bilden kann, wenn letzterer ebenfalls aus Silikongummi, z.B. durch Spritzgießen, hergestellt ist. Durch die Dichtung 8 werden die Stromleiter 9 und 10 nach außen geführt; innerhalb des Elements sind diese Leiter mit den Metallkörpern 4 bzw. 5 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist das Rohr 6 an einem"Ende geschlossen. Es ist auch möglich, ein an beiden Enden offenes Rohr zu verwenden und dieses an beiden Enden mit einer Dichtung gleich der dargestellten Dichtung 8 zu verschließen. Auch ist es möglich, das Rohr an den Enden zuzuschmelzen, wenn dieses aus Quarz oder Glas besteht.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II durch das Element nach Fig. 1. Die Zifferbezeichnungen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Deutlich läßt sich die Form der Metallkörper 4 und 5 erkennen. Sie bestehen aus je einem flachen Streifen 4A bzw. 5A und einem zylindrisch gekrümmten Teil 4B bzw. 5B. Die flachen Streifen 4A und 5A sind mit den PTC-Widerständen verbunden und die gekrümmten Teile 43 und 5B, die eine Form aufweisen, die annähernd der Form dss Wandteiles des Rohrteiles 6 entspricht, liegen federnd an der Wand des Rohrteiles 6 an und stehen mit dieser Viand in wärmeaustauschendem Kontakt. Erwünschtenfalls kann sich zur Verbesserung dieses Kontaktes noch eine dünne Schicht einer Paste aus Silikonharz, gegebenenfalls mit Metallpulver oder
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einem gut leitenden Metalloxid vermischt, zwischen den gekrümmten Teilen 4B und 5B und der Wand des Rohrteiles 6 befinden,
Figuren 3 und 4 zeigen andere Ausführungsformen der Metallkörper.
In Fig. 3 ist ein Metallkörper dargestellt, der aus einem flachen Streifenteil 11A besteht, der an beiden in der Längsrichtung des Rohrteiles 6 verlaufenden Rändern mit einem gekrümmten Teil (11B bzw. 11C) versehen ist, welche Teile 11B und 11C federnd und in wärmeaustauschendem Kontakt an der Innenwand des Rohrteiles 6 anliegen. Der Körper 12 weist die gleiche Forin wie der Körper 11 A, B, C auf.
In Fig. 4 sind massive Metallkörper 13 und 14 dargestellt; um eine federnde Anlage in bezug auf den Rohrteil 6 zu erhalten, ist darauf eine elastische Schicht 15 aus Silikongummi auf der Innenseite angebracht.
Das selbstregelnde Heizelement nach Fig. 5 kann auf zv/ei Temperaturen eingestellt werden. Dazu sind in dem Element zwei PTC-Widerstände 21 und 22 vorgesehen, die zwischen d.sn Metallkörpern 4 und 5 liegen. Die Metallkörper 4 und 5 weisen eine Form gleich der im Schnitt in Fig. 2 gezeigten Form auf.
Der PTC-Widerstand 22 ist mit dsn Metallkörpern 4 und 5 elektrisch leitend verbunden; der PTC-Widerstand 21 ist nur mit dem Metallkörper 4 elektrisch leitend verbunden. Zwischen eiern PTC-Widerstand 21 und dem flachen Teil 5A des Metallkörpers 5 befindet sich eine elektrisch nicht leitende Schicht. 24, z.B. aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff, keramischem Material oder Glas. Der PTC-Widerstand ist weiter elektrisch mit einem Stromleiter 23 verbunden, Stromleiter 9 und 10 sind mit den Metallkörpern 4 und 5 verbunden. Die übrigen Zifferbezeichnungen haben die gleiche- Bedeutung wie in den vorher-
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-.erFiguren. Wenn nun bei dem selbstregelnden Heizelement die Stromleiter 9 und 10 mit einer Spannungsquelle verbunden v/erden, wird ein Strom über die Metallkörper 4 und den PTC-Widerstand 22 durchfließen, wodurch das Heizelement eine bestimmte Temperatur in Abhängigkeit von der Curietemperatur des Materials, aus dem der PTC-Widerstand 22 hergestellt ist, annehmen wird. Wenn danach statt des Stx-omleiters 10 der Stromleiter 23 mit der Stroinquwlle verbunden wird, wird ein elektrischer Strom über die Stromleiter 9 und 23 und den Metallkörper 4 den PTC-Widerstand 21 durchfließen. Das Heizelement wird nun eine andere Temperatur annehmen, die von der Curietemperatur des Materials, aus dem der PTC-Widerstand 21 hergestellt ist, abhängig ist.
Bei einer praktischen Ausführungsform eines Heizelementes nach der Erfindung mit einem im Längsschnitt in Fig. 1 und im Querschnitt in Fig. 2 gezeigten Aufbau bestand der Rohrteil 6 aus Pyrexglas und der Rohrteil 7 aus Silikongurarai. Wenn dieses Gebilde in einem gut passenden Metallrohr angeordnet v/urde, konnten keine größeren Temperaturunterschiede als etwa 10 C an der Oberfläche desselben gemessen wev&en. Die Elemente wurden mit 220 V Wechselstrom (50 Hz) gespeist. Bai einer1 Temperatur von etwa 2000C der PTC-Widerstände und einer Umgebungstemperatur (mit einem metallenen Außenrohr) von etwa 175°C wurde box 6000 Schaltvorgängen, wobei während einer Minute das Element eingeschaltet (220 V) und sechs Minuten ausgeschaltet wurde, keine Beschädigung der PTC-Widerstände oder wesentliche Änderung des Widerstandswertes ( <C 5 %) fest" gestellt. Ein Heizelement mit drei PTC-Widerständen kann in dieser Ausfübrungsfora eine Leistung von etwa 14 W aufnobmen: dieselben drei PTC-Widerstände nehmen zusammen in Luft nicht mehr als etwa 4 W auf. Ein selbstregelndes Heizelement nach der Erfindung kann in Tauchsiedern zur Erhitzung von Flüssigkeiten, in Lockenwickeln, Erhitzungsplatten u.dgl. Anwendung -finden. Das Heizelement nach der Erfindung weist incbe-
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sondere den Vorteil einer großen Zuverlässigkeit bei einem verhältnismäßig einfachen Aufbau auf.
Ein weiterer Vorteil ist der, daß bei einer grundsätzlich gleichen Ausführung Heizelemente mit verschiedenen Höchsttemperaturen erhalten werden können, indem ein PTC-Widerstand mit einer anderen Curieteniperatur eingebaut wird. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß Heizelemente mit verschiedenen Temperaturpegeln dadurch erhalten v/erden können, daß zwei oder mehr PTC-Widerstände mit verschiedener Curieteniperatur in das Element eingebaut v/erden. Verschiedene Temperaturpegel können auch dadurch erhalten werden, daß bei einem Element mit zwei oder mehr PTC-Widerständen mit derselben Curietemperatur ein, zwei oder mehr Widerstände mit der Spannungsquelle verbunden v/erden.
PATENTANSPRUCHS:
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Claims (15)

- vr - PATENTANSPRÜCHE:
1.J Selbstregelndes Heizelement, das als Wärmequelle mindestens einen Widerstandskörper aus einem Material mit einem positrven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper zwischen Metallkörpern liegt, die auf der von dem Widerstandskörper abgekehrten Seite in wärmeaustauschendem Kontakt an der Innenwand eines Gehäuses anliegen.
2. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadxirch gekennzeichnet, daß die Metallkörper federnd an der Innenwand des Gehäuses anliegen.
3. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß die Metallkörper auf der von dem Widerstandskörper abgekehrten Seite eine Form aufweisen, die annähernd der Form des mit diesen zusammenwirkenden Teiles der Oberfläche der Innenwand des Gerätes entspricht.
4. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkörper aus flachen Streifen bestehen, die wenigstens an einem sich in der Längsrichtung des Gehäuses erstreckenden Rand mit einem Streifenteil versehen sind, dessen Form wenigstens annähernd der Form des mit diesem Teil in wärmeaustauschend.em Kontakt zusammenwirkenden Teiles der Oberfläche der Innenwand des Rohres entspricht.
5. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses aus einer Sicht aus einem elastischen elektrischen isolierenden Material, insbesondere einem Silikonharz, besteht.
6. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch
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gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper scheibenförmig
ist und mit seiner oberen bzw. unteren Fläche an einem ersten bzw. zweiten Metallkörper befestigt ist.
7. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper über chmsche Kontakte mit den Metallkörpern, die als Stromleiter wirken, verbunden ist.
8. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Widerstandskörper mit
•verschiedener Curieteniperatur vorhanden sind, die unabhängig voneinander mit einer Stromquelle über Stromleiter verbunden werden können, von denen mindestens einer mittels einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material mit einem der Metallkörper verbunden ist und über einen eigenen Stromleiter mit einer
Stromquelle verbunden v/erden kann.
9. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,· daß das Gehäuse eine zylindrische Form aufweist.
10. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses aus einem anorganischen elektrisch isolierenden' Material besteht,
11. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand, des Gehäuses aus einem gesinterten anorganischen oxidischen Material besteht.
12. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand d.es Gehäuses aus Glas besteht .
13. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch
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gekennzeichnet, daß das Gehäuse schachtförmig aufgebaut ist und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht enthält, die innerhalb einer Metallhülse liegt.
14. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum im Gehäuse mit einem nichtleitenden Pulver aus anorganischem Material gefüllt ist.
15. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum im Gehäuse mit einen nichtleitenden Kunststoff gefüllt ist.
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NL (1) NL7504083A (de)

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