DE2760241C2 - Elektrische Heizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche Heizvorrichtung ist aus der DE-OS 24 10 999 bekannt. In der bekannten Heizvorrichtung sind die Elektroden zum Anlegen der Betriebsspannung auf die Stirnflächen des Körpers aus keramischen Material oder an dessen Umfangsflächen angebracht. Im zuerst genannten Fall wird dabei das Fließen eines Stroms in Längsrichtung durch die Stege zwischen den Durchlässen bewirkt, während im anderen Fall der Stromfluß senkrecht zu den Stegen und zu den Durchlässen erfolgt. In beiden Fällen ist der Stromweg zwischen den Elektroden relativ lang, so daß Inhomogenitäten im keramischen Material zu örtlichen Erwärmungsunterschieden führen können, aus denen nachteilige Folgen für die Lebensdauer der Heizvorrichtung resultieren könnnen.

An Stellen örtlicher Überhitzung wird die Übergangstemperatur in den hochohmigen Zustand früher als an anderen Stellen erreicht, so daß an diesen Stellen eine höhere Spannungsbelastung des Materials eintritt, die auf längere Sicht die Lebensdauer des Keramikkörpers verkürzt. Temperaturunterschiede sind auch deshalb unerwünscht, weil sie zu inneren Spannungen führen, die schließlich ein Springen des Keramikkörpers zur Folge haben können.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine elektrische Heizvorrichtung der eingangs geschilderten Art geschaffen werden, mit der ein hindurchströmendes Medium wirksam erwärmt werden kann und die sich auch beim Einsatz in ungünstigen Umgebungsbedingungen durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet, ohne daß ein besonders homogenes keramisches Material verwendet werden muß.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. In der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung sitzen die Kontaktüberzüge auf den Innenwänden der Durchlässe, so daß der die Erwärmung hervorrufende Strom senkrecht zu den Stegen zwischen den Durchlässen fließt. Die Stromwege sind dabei jedoch sehr kurz; ihre Länge entspricht jeweils nur der Dicke der Stege. Inhomogenitäten des Keramikmaterials spielen daher keine große Rolle und es treten demzufolge auch keine örtlichen Temperaturdifferenzen auf, die die Lebensdauer des Keramikkörpers beeinträchtigen könnten.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig 1 einen Teilschnitt einer in einem Vergaser verwendeten Heizvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine in verkleinertem Maßstab ausgeführte Explosionsdarstellung der Heizvorrichtung von Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Veranschaulichung des Verhaltens der Vergaseranordnung von Fig. 1.

Die zu beschreibende Heizvorrichtung wird an einem Vergaser verwendet, um im Brennstoff-Luft-Gemisch im Abströmkanal 14 enthaltene Brennstofftröpfchen 52 zu verdampfen. Von dem Vergaser ist in Fig. 1 nur der Auslaßflansch 30 dargestellt. Die Heizvorrichtung 54 ist zwischen dem Vergaser und dem Einlaßkrümmer 38 eines Motors zum Erwärmen des Brennstoff-Luft-Gemischs 48 angebracht, wodurch eine wesentlich verbesserte Verdampfung des Brennstoffbestandteils des Brennstoff-Luft-Gemischs vor der Zufuhr des Gemisches zum Motor erhalten wird. Zur Erzielung dieser verbesserten Brennstoffverdampfung ohne übermäßige Einschränkung der freien Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs zum Motor ist es notwendig, die für diesen Zweck verfügbare Energie aus der Stromversorgung des von dem Motor angetriebenen Kraftfahrzeugs wirksamer auszunutzen. Die Heizvorrichtung enthält demgemäß einen Widerstandskörper 56 aus Keramikmaterial oder dergleichen mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizient (PTC); der Heizkörper ist mit mehreren Durchlässen 58 versehen, die sich Seite an Seite im Abstand voneinander zwischen den gegenüberliegenden Enden 56.1 und 56.2 des Körpers erstrecken, so daß dünne Stege 59 aus dem Widerstandsmaterial zwischen benachbarten Durchlässen in dem Heizkörper entstehen. Wie insbesondere in Fig. 1 dargestellt ist, sind vorzugsweise um die Ränder der Enden von ersten Durchlässen 58a an der Endfläche 56.1 des Heizkörpers Auflager 60 aus dem Widerstandsmaterial gebildet, und um die Ränder von zweiten Durchlässen 58b an der anderen Endfläche 56.2 des Widerstandskörper sind längs der Innenwände jedes Durchlasses 58 elektrisch leitende ohmsche Kontaktüberzüge befestigt. Die ohmschen Kontaktüberzüge an den zweiten Durchlässen 58b sind an der einen Endfläche 56.1 des Widerstandskörpers mittels eines Verbindungsüberzugs 66 aus elektrisch leitendem Material elektrisch miteinander verbunden, der auf dem Ende 56.1 so angebracht ist, daß er sich um die Seiten der Auflager 60 erstreckt. Auf diese Weise verbindet der Überzug 66 die ohmschen Kontaktüberzüge 64 in den zweiten Durchlässen 58b elektrisch miteinander, doch ist er von den Oberseiten der Auflager 60 im Abstand von den ohmschen Kontaktüberzügen 64 in den ersten Durchlässen 58a gehalten. Ebenso sind die ohmschen Kontaktüberzüge 64 in den ersten Durchlässen 58a mittels eines Verbindungsüberzugs 68 aus elektrisch leitendem Material, das sich um die Seiten der Auflager 62 erstreckt, am anderen Ende 56.2 des Widerstandskörpers elektrisch miteinander verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Verbindungsüberzüge 66 und 68 vorzugsweise einen Abschnitt 66.1 bzw. 68.1 auf, der sich in Umfangsrichtung um die Seiten des Widerstandskörpers angrenzend an das jeweilige Ende des Körpers erstreckt. Die Überzugsabschnitte 66.1 und 68.1 sind mit einem elektrisch leitenden Material 69 überzogen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen relativ niedrigen Schichtwiderstand und Oberflächenkontaktwiderstand aufweist. Vorzugsweise ist an dem Widerstandskörper zwischen den Überzugsabschnitten 66.1 und 68.1 auch eine Schutzschicht 71 oder ein elektrisch isolierendes Material festgeklebt.

Der Widerstandskörper 56 besteht beispielsweise aus einem mit Lanthan dotierten keramischen Bariumtitanat- Widerstandsmaterial mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizient, das einen scharfen anomalen Widerstandsanstieg beim Erwärmen auf eine ausgewählte Temperatur aufweist. Vorzugsweise besteht der Körper z. B. aus einem keramischen Titanat mit der empirischen Formel Ba_0,968Pb_0,030La_0,002TiO₃, das bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von etwa 367 Ωcm und eine Curie-Temperatur von etwa 140°C aufweist und das bei einer Erwärmung über seine Anomalietemperatur von etwa 200°C einen scharfen anomalen Anstieg des spezifischen Widerstandes auf etwa 10⁵ Ωcm zeigt.

In der hier beschriebenen Heizvorrichtung 54 haben die Durchlässe 58 im Widerstandskörper 56 vorzugsweise jeweils einen quadratischen Querschnitt; sie weisen jeweils vorzugsweise eine relativ weite Querschnittsgröße in der Größenordnung von etwa 2,54 mm auf. Die Stege 59 aus Widerstandsmaterial zwischen den Durchlässen sind ebenfalls relativ dünn mit einer Dicke in der Größenordnung von nicht mehr als etwa 1,5 mm. Typischerweise sind die Durchlässe 58 im Querschnitt quadratisch mit einer Seitenlänge von etwa 3,6 mm, und sie liegen auf Grund eines Stegs 59 aus Widerstandsmaterial mit einer Dicke von etwa 1,02 mm im Abstand von dem jeweils benachbarten Durchlaß. Der Widerstandskörper enthält acht Reihen solcher Durchlässe, und jede Reihe enthält acht Durchlässe. Vorzugsweise hat der Widerstandskörper 56 eine Gesamtdicke von etwa 6,35 mm, so daß jeder Durchlaß 58 eine Länge von etwa dieser Größenordnung hat.

Der Widerstandskörper 56 ist vorzugsweise in bezug auf den Vergaser so angebracht, daß die Durchlässe des Widerstandskörpers mit dem Brennstoff-Luft-Kanal 14 in einer Linie liegen, damit das Brennstoff-Luft- Gemisch 48 durch die Durchlässe in einer Wärmeübertragungsbeziehung zu dem Widerstandskörper strömen kann. Bei der oben beschriebenen Konstruktion des Widerstandskörpers 56 kann der Körper als äußerst wirksamer Brennstoffheizkörper wirken, und er eignet sich insbesondere dafür, eine große Wärmemenge an das Brennstoff-Luft-Gemisch 48 abzugeben, auch wenn der Heizkörper mit einer sehr niedrigen Spannung, beispielsweise der in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung von 12 Volt, erregt wird. Das bedeutet, daß bei einem Anschließend der Verbindungsüberzüge 66 und 68 an den Enden des Widerstandskörpers an entsprechende Klemmen durch jeden der Stege 59 aus Widerstandsmaterial zwischen angrenzenden Durchlässen 58 ein Strom geleitet wird. Dieser Strom fließt zwischen einer Gruppe von ohmschen Kontaktüberzügen 64 einer Polarität, die mit dem Überzug 66 verbunden sind, und der zweiten Gruppe aus ohmschen Kontaktüberzüge der entgegengesetzten Polarität, die mit dem Überzug 68 verbunden sind. Auf diese Weise wirken mehrere ohmsche Kontaktüberzüge in den Körperdurchlässen zusammen, so daß eine große wirksame ohmsche Kontaktfläche zu dem Widerstandsmaterial entsteht. Da die Stege 59 zwischen den Durchlässen relativ dünn ausgebildet sind, kann ein relativ großer Strom durch die dünnen Stege für jede Einheitsfläche der ohmschen Kontaktüberzüge geleitet werden, auch wenn eine relativ niedrige Spannung an die ohmschen Kontaktüberzüge mit entgegengesetzter Polarität angelegt wird. Auch wenn in dem Widerstandskörper 56 zwischen entgegengesetzten Enden des Körpers als Folge des Stroms des Brennstoff-Luft-Gemischs 48 durch die Körperdurchlässe ein Widerstandsgradient auftreten sollte, hat das Auftreten eines höheren spezifischen Widerstands in dem Körper an einem Körperende nicht die Wirkung, die Wärmeerzeugung in anderen Teilen des Körpers einzuschränken. Obgleich die Durchlässe 58 relativ weit sind, damit das Brennstoff- Luft-Gemisch ohne wesentliche Einschränkung durch sie strömen kann, wird doch in wirksamer Weise eine große Wärmemenge von dem Widerstandskörper erzeugt und auf das Brennstoff-Luft-Gemisch übertragen, damit eine wirksame Erwärmung des Brennstoff-Luft-Gemischs erzielt wird.

Bei einem Widerstandskörpers 56 mit einer Dicke von 6,35 mm mit acht Reihen zu je acht sich durch den Körper erstreckenden Durchlässen mit quadratischem Querschnitt mit einer Seitenlänge von 3,6 mm und einer Trennung durch Stege 59 mit einer Dicke von etwa 0,02 mm kann der Körper eine beträchtliche Menge an Brennstoff-Luft- Gemisch durch die Durchlässe 58 mit nur relativ geringer Einschränkung der Strömung des Gemisches durchlassen, wie Fig. 4 zeigt. Dies bedeutet, daß der Körper eine beträchtliche Menge des Brennstoff-Luft-Gemischs durchläßt, wobei nur ein kleiner Druckabfall zwischen den beiden Enden des Körpers auftritt, wie die Kurve 70 in Fig. 4 zeigt. Wenn beispielsweise pro Minute 2,3 kg Brennstoff-Luft-Gemisch (1961 l Brennstoff-Luft-Gemisch pro Minute) durch die Durchlässe des Widerstandskörpers strömen, dann ergibt diese Strömung nur einen Druckabfall von 12 cm Wassersäule am Widerstandskörper. Bei einer Erregung durch die Spannung von 12 Volt der Stromversorgung des Kraftfahrzeugs erzeugt der Heizkörper sehr große Wärmemengen, wie die Kurve 72 in Fig. 3 zeigt. Wenn beispielsweise 2,3 kg Brennstoff-Luft-Gemisch pro Minute durch die Körperdurchlässe strömt, dann kann der Widerstandskörper 56 400 Watt erzeugen und auf das Brennstoff-Luft-Gemisch übertragen. Diese Wärmeübertragung bewirkt einen Temperaturanstieg des Brennstoff-Luft-Gemischs um etwa 6,7°C, und sie ergibt eine wesentlich verbesserte Verdampfung des Brennstoffanteils im Gemisch, insbesondere dann, wenn die Luft- und Brennstoffanteile bei einer relativ niedrigen Temperatur in den Vergaser eingeführt werden. Der Heizkörper kann mit der Erwärmung des Brennstoff-Luft-Gemischs natürlich unmittelbar nach dem Anlassen des Motors beginnen, so daß die durch ihn erzielte Verbesserung der Brennstoffverdampfung dann eintritt, wenn sie am nötigsten ist, ehe sich der Motor selbst merklich erwärmt hat. Der positive Widerstandstemperaturkoeffizient des Widerstandskörpers stellt sicher, daß der Widerstandskörper selbstregelnd wirkt. Das bedeutet, daß bei einem Anstieg seiner Temperatur auch sein spezifischer Widerstand ansteigt, so daß der durch ihn fließende Strom sinkt, wodurch sich die Körpertemperatur auf einem sicheren Temperaturwert stabilisiert, bei dem die von ihm erzeugte Wärme sein Verlustwärme ausgleicht.

Es ist zu erkennen, daß mittels der Heizvorrichtung 54 eine äußerst wirksame Erwärmung des Brennstoff-Luft-Gemischs 48 aus einer Niederspannungsquelle erreicht werden kann, ohne daß eine wesentliche Einschränkung der Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs durch die Durchlässe eintritt.

Die hier beschriebene Heizvorrichtung 54 enthält vorzugsweise auch ein Gehäuse 74, mit dessen Hilfe der Widerstandskörper 56 zweckmäßig zwischen dem Auslaßflansch 30 des Vergasers und dem Einlaßkrümmer 38 befestigt werden kann, ohne daß die Höhe der Vergaser übermäßig vergrößert wird. Vorzugsweise ist ein aus einem starren, elektrisch isolierenden Material mit einem Phenolharz gebildetes Abstandsglied 76 mit einer Mittelöffnung 78 um den Widerstandskörper 56 herumgefügt. Zwei allgemein wellenförmige Anschlußringe 80 aus einem elektrisch leitenden Federmaterial wie Berylliumkupfer sind angrenzend an die jeweiligen Enden des Körpers um die Seiten des Widerstandskörpers gefügt, so daß sie federnd auf die Überzugabschnitte 66.1 und 68.1 und die einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweisenden Überzüge 69 an den Seiten des Körpers einwirken. Bei dieser Anordnung erzeugen die Anschlußringe 80 an vielen Punkten einen Druckkontakt mit den Überzügen 69, wie zu erkennen ist; die Anschlußringe sind durch das Abstandsglied 76 voneinander getrennt. Jeder Anschlußring 80 weist einen seitlich von ihm abstehenden Klemmenabschnitt 80.1 auf, wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen ist. Zwei Außengehäuseabschnitte 82 und 84, die ebenfalls vorzugsweise aus einem Phenolharz bestehen, sind jeweils mit einer Öffnung 86 und einer darin gebildeten Ausnehmung 88 versehen; die Ausnehmungen 88 sitzen so über den Enden des Widerstandskörpers, daß die Öffnungen 86 in einer Linie mit den Durchlässen 58 im Widerstandskörper liegen. Vorzugsweise sind die Außengehäuseabschnitte 82 und 84 abdichtend jeweils mit einer Seite des Abstandsglieds 76 verkittet oder auf andere Weise verbunden, und die Gehäuseabschnitte und das Abstandsglied sind mit Befestigungslöchern 90 zum Anbringen der Heizvorrichtung 54 am Vergaser 12 und am Einlaßkrümmer 38 versehen. Jeder Gehäuseabschnitt weist eine Nut 91 auf, die ermöglicht, daß einer der abstehenden Klemmenabschnitte 80.1 der Anschlußringe aus dem Gehäuse 74 nach außen ragen kann. Vorzugsweise ist zwischen jedem Gehäuseabschnitt und dem Widerstandskörper 56 auch eine Dichtung 92 aus zusammendrückbarem Material mit einer Öffnung 94 angebracht, damit der keramische Widerstandskörper sicher innerhalb des Gehäuses 74 festgehalten wird, ohne daß die Gefahr der Beschädigung des keramischen Körpers besteht, wenn er einer Stoßbelastung ausgesetzt wird. Innerhalb des Gehäuses ist am Auslaßende des Gehäuses 74 zwischen dem Widerstandskörper und dem Gehäuseabschnitt 84 vorzugsweise ein Sieb 96 aus nichtleitendem Material wie Fiberglas angebracht, das verhindert, daß Plättchen aus dem keramischen Widerstandskörper in den Motor 22 gelangen. Vorzugsweise ist auch zwischen dem Widerstandskörper 56 und dem Gehäuseabschnitt 82 im Gehäuse ein ebensolches Sieb 98 angebracht, das in die Körperdurchlässe eintretende Brennstofftröpfchen 52 zerstäubt, damit die Verdampfung der Tröpfchen erleichtert wird.

Claims (1)

1. Elektrische Heizvorrichtung mit einem aus PTC-Material bestehenden Widerstandskörper, der eine Mehrzahl voneinander beabstandeter, paralleler Durchlässe aufweist und der an den Endflächen, von denen die Durchlässe ausgesehen, jeweils mit einem an die eine bzw. andere Klemme einer Stromquelle anschließbaren elektrisch leitenden Verbindungsüberzug versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenwänden der Durchlässe (58) jeweils ein elektrisch leitender Kontaktüberzug (64) angebracht ist, daß die Kontaktüberzüge (64) benachbarter Durchlässe (58a, 58b) jeweils abwechselnd mit dem Verbindungsüberzug (66, 68) der einen bzw. der anderen Endfläche (56.1, 56.2) des Widerstandskörpers (56) elektrisch leitend verbunden sind, und daß zwischen benachbarten Durchlässen (58) jeweils dünne Stege (59) gebildet sind, wobei der die Erwärmung hervorrufende Strom senkrecht zu den Stegen (59) fließt.