DE2760242C2 - Elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

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

Aus der DE-OS 24 10 999 ist eine elektrische Heizvorrich­ tung bekannt, die einen Körper aus Widerstandsmaterial aufweist, in dem zahlreiche Durchlässe gebildet sind, durch die ein zu erwärmendes Medium strömen kann. Zum Anlegen der Betriebsspannung an den Widerstandskörper können auf den Stirnflächen oder auf den Seitenflächen Kontaktüberzüge angebracht werden, wobei im zuerst genann­ ten Fall der die Erwärmung hervorrufende Strom parallel zu den Durchlässen durch die diese Durchlässe trennenden Stege fließt, während er im anderen Fall senkrecht zu den Durchlässen fließt. Bei der Herstellung der bekannten Heiz­ vorrichtung wird genau darauf geachtet, daß kein Kontakt­ material an die Innenwände der Durchlässe gelangt, da es sonst zu einem Kurzschluß zwischen den Kontaktüberzügen kommen könnte. Somit stellt sich auch nicht das Problem, Kontaktüberzüge an den Innenwänden der Durchlässe elektrisch voneinander zu trennen und für eine gruppenweise Zusammen­ schaltung der Kontaktüberzüge zu sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Widerstands­ heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs so weiterzubilden, daß eine günstige Stromverteilung bei einer erleichterten Herstellung erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.

In der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung können die Kontakt­ überzüge und die Verbindungsüberzüge des Körpers aus Wider­ standsmaterial einfach dadurch gebildet werden, daß der Kör­ per in das Material der Überzüge getaucht wird. Ein Trennen der Kontaktüberzüge in der Weise, daß die zwei Pole einer Versorgungsspannungsquelle angeschlossen werden können, kann einfach dadurch erreicht werden, daß die Spitzen der Auflager an den beiden Körperenden abgeschliffen werden, was zur Folge hat, daß die Kontaktüberzüge an den Innenwänden der ersten Durchlässe von den Kontaktüberzügen an den Innenwänden der zweiten Durchlässe getrennt werden. Aufgrund der im übrigen vollflächigen Beschichtung sind die Kontaktüberzüge automa­ tisch gruppenweise miteinander verbunden, so daß dann die Pole der Versorgungsspannungsquelle an die zwei Gruppen von Kontaktüberzügen angeschlossen werden können. Bei dieser An­ bringung der Kontaktüberzüge fließt der Strom quer zu den die Kanäle trennenden Wänden, was die angestrebte günstige Stromverteilung ergibt.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshal­ ber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt in Richtung der Längsachse einer Vergaseranordnung, in der die erfindungsgemäße Widerstandsvorrichtung angewendet ist und

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer in der Ver­ gaseranordnung von Fig. 1 verwendeten Heizvorrich­ tung, von der die erfindungsgemäße Widerstandsvor­ richtung ein Teil ist.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vergaseranordnung 10 darge­ stellt; diese Vergaseranordnung enthält einen herkömmlich aufgebauten Vergaser 12 mit einem Brennstoff-Luft-Kanal 14, einen in diesen Kanal führenden Lufteinlaß 16, einen eben­ falls in diesen Kanal führenden Brennstoffeinlaß 18 zum Vermischen von Brennstoff mit Luft in dem Kanal und einen Auslaß 20 aus dem Brennstoff-Luft-Kanal zur Abgabe eines Gemischs aus Luft und verdampftem Brennstoff an einen Kraftfahrzeugmotor 22. Ein solcher herkömmlicher Vergaser enthält typischerweise einen Vergaserkörper 24, der den Luft-Brennstoff-Kanal 14 mit einem Venturiabschnitt 26 nach Fig. 1 bildet; ferner enthält er eine Starterklappe 28, eine Drosselklappe 30 und eine Versorgungskammer 32 für Benzin 34, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Der herkömmliche Vergaser ist typischerweise auch mit einem Flansch 36 versehen, mit dessen Hilfe er am Einlaß­ krümmer 38 des Motors so befestigt werden kann, daß sein Brennstoff-Luft-Kanal 14 in einer Linie mit einem Eingang 40 zum Einlaßkrümmerkanal 42 liegt, der zu den Motorzylindern führt. Im Betrieb des herkömmlichen Vergasers saugt ein im Einlaßkrümmer während des Laufens des Motors erzeugter Unterdruck Luft in den Vergasereinlaß 16, wie die Pfeile 44 anzeigen, während der an der Venturivereinigung im Brennstoff-Luft-Kanal erzeugte Unterdruck auch Brennstoff durch die Einlaßdüse 18 saugt, wie die Pfeile 46 anzeigen; dadurch wird im Brennstoff-Luft-Kanal ein Gemisch aus Luft und verdampftem Brennstoff erzeugt, wie durch die Pfeile 48 angezeigt ist. Das Brennstoff-Luft-Gemisch 48 wird dann durch den Auslaß 20 entsprechend den Pfeilen 50 in den Einlaßkrümmer zur Abgabe an den Motor gesaugt, wie in den Fig. 1 und 2 angegeben ist. In dem herkömmlichen Ver­ gaser ist die Drosselklappe über geeignete Hebelver­ bindungen und Steuerorgane zur Einstellung des dem Motor zugeführten Volumens des Brennstoff-Luft-Gemischs beweglich, und die Starterklappe 26 ist abhängig vom Sog des Unter­ drucks im Einlaßkrümmer oder dergleichen und abhängig von einer auf Wärmeeinwirkung ansprechenden Federvorrichtung zur Einstellung des Eintritts von Luft in den Vergaser beweglich. Da der Vergaser 12 ein herkömmlich aufgebauter Vergaser ist, wird er hier nicht weiter beschrieben; es ist zu erkennen, daß die hier zu beschreibende hochwirksame Vergaseranordnung von jedem Einfach-Doppel- oder Vierfach­ vergaser oder von jedem anderen Brennstoffzufuhr­ system Gebrauch machen kann, das dafür geeignet ist, einem Kraftfahrzeugmotor ein Brennstoff-Luft-Gemisch zuzuführen.

Wenn ein Kraftfahrzeugmotor insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen kalt gestartet wird, dann haben die Luft 44 und der Brennstoff 46, die in den Vergaser 12 gesaugt werden, häufig eine zu niedrige Temperatur zur vollen Verdampfung des Brennstoffs innerhalb des Brennstoff- Luft-Kanals des Vergasers. Außerdem ist die Temperatur des Motors 22 für eine gewisse Zeitperiode nach dem Anlassen ebenfalls zu niedrig, um eine ausreichende Erwärmung des Brennstoff-Luft-Gemisches 48 zur Erzielung einer vollen Verdampfung des Brennstoffs in dem Gemisch zu bewirken. In dem herkömmlichen Vergaser kann die Starterklappe 26 gewöhnlich den Lufteintritt in den Vergaser während der Anlaßphase oder Aufwärmphase des Motors einschränken, damit gewährleistet wird, daß das dem Motor zugeführte Brennstoff-Luft-Gemisch genügend reich an Brennstoff zur Erzielung eines gleichmäßigen Anlaufs des Motors ist. Unter diesen Startbedingungen enthält das Brennstoff- Luft-Gemisch 48 gewöhnlich Brennstofftröpfchen 52 oder andere unverdampfte Brennstoffteilchen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Der Motor erreicht daher während der Anlaufphase nur einen relativ geringen Brennstoff­ wirkungsgrad, und, was von größerer Bedeutung ist, übermäßig große Mengen an unverbrannten Kohlenwasser­ stoff-Verunreinigungsstoffen werden mit den Abgasen während des Anlassens des Motors an die Atmosphäre abgegeben.

In der in Fig. 1 dargestellten Vergaseranordnung 10 ist zwischen dem Vergaser 12 und dem Einlaßkrümmer 38 eine Heizvorrichtung 54 zum Erwärmen des dem Motor zuzuführenden Brennstoff-Luft-Gemischs 48 angebracht, wodurch eine wesentlich verbesserte Verdampfung des Brennstoffbestandteils des Brennstoff-Luft-Gemischs vor der Zufuhr des Gemischs 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 12 V- Stromversorgung des Kraftfahrzeugs wirksamer auszunutzen. Die Heizvorrichtung in der hier zu beschreibenden Vergaser­ anordnung 10 enthält demgemäß einen Heizkörper 56 aus Keramikmaterial oder dergleichen mit positivem Widerstands­ temperaturkoeffizient (PTC); der Heizkörper ist mit zwei Gruppen von Kanälen 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 Kanälen in den Heizkörper entstehen. Wie insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, sind vorzugsweise um die Ränder der Enden abwechselnder Kanäle 58 a am Ende 56.1 des Heizkörpers Auflager 60 aus den Widerstands­ material gebildet, und um die Ränder der anderen Kanäle 58 b am anderen Ende 56.2 des Heizkörpers sind ebensolche Auflager 62 gebildet. An den Widerstandskörper sind längs der Innenwände jedes Kanals 58 elektrisch leitende ohmsche Kontakte 64 oder andere geeignete Kontaktvorrich­ tungen befestigt. Die ohmschen Kontakte an den anderen Kanälen 58 b sind an dem einen Ende 56.1 des Widerstands­ körpers mittels eines Überzugs 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 Kontakte 64 in den Kanälen 58 b elektrisch miteinander, doch ist er von den Oberseiten der Auflager 60 im Abstand von den ohm­ schen Kontakten 64 in den Kanälen 58 a gehalten. Eben­ so sind die ohmschen Kontakte 64 in den anderen Kanälen 58 a mittels eines Überzugs 68 aus elektrisch leitendem Material, das sich um die Seiten der Auflager 62 erstreckt, am anderen Ende 56.2 des Widerstands­ körpers elektrisch miteinander verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Überzüge 66 und 68 vorzugs­ weise 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 außerdem mit einem elektrisch leitenden Material (69 in Fig. 2) überzogen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen relativ niedrigen Schichtwiderstand und Ober­ flächenkontaktwiderstand aufweist. Vorzugsweise ist an dem Widerstandskörper zwischen den Überzugabschnitten 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 Widerstandstemperatur­ koeffizient, das einen scharfen anomalen Widerstands­ anstieg 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 36 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 ΩCcm zeigt.

In der hier beschriebenen Vergaseranordnung 10 haben die Kanäle 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 einer Seite 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 Kanäle 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 Kanal. Der Widerstandskörper enthält acht Reihen solcher Kanäle, und jede Reihe enthält acht Kanäle. Vorzugsweise hat der Widerstandskörper 56 eine Gesamtdicke von etwa 6,35 mm, so daß jeder Kanal 58 eine Länge von etwa dieser Größen­ ordnung hat.

In der hier beschriebenen Vergaseranordnung 10 ist der Widerstandskörper 56 vorzugsweise in bezug auf den Vergaser 12 so angebracht, daß die Kanäle des Widerstandskörper mit dem Brennstoff-Luft-Kanal 14 in einer Linie liegen, damit das Brennstoff-Luft- Gemisch 48 durch die Kanäle in einer Wärmeübertragungs­ beziehung zu dem Widerstandskörper strömen kann. Bei der oben beschriebenen Konstruktion des Widerstands­ körpers 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, beispiels­ weise der in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung von 12 Volt, erregt wird. Das be­ deutet, daß bei einem Anschließen der Überzüge 66 und 68 an den Enden des Widerstandskörpers an entsprechende Klemmen durch jeden der Stege 59 aus Widerstandsmaterial zwischen angrenzenden Kanälen 58 ein Strom geleitet wird. Dieser Strom fließt zwischen einer Gruppe von ohmschen Kontakten 64 einer Polarität, die mit dem Überzug 66 verbunden sind, und der zweiten Gruppe aus ohmschen Kontakten der entgegengesetzten Polarität, die mit dem Überzug 68 verbunden sind. Auf diese Weise wirken mehrere ohmsche Kontakte in den Kanälen zusammen, so daß eine große wirksame ohmsche Kontakt­ fläche zu dem Widerstandsmaterial entsteht. Da die Stege 59 zwischen den Kanälen relativ dünn ausge­ bildet sind, kann ein relativ großer Strom durch die dünnen Stege für jede Einheitsfläche der ohmschen Kontakte geleitet werden, auch wenn eine relativ niedrige Spannung an die ohmschen Kontakte mit entgegengesetzter Polarität angelegt wird. Auch wenn in dem Widerstandskörper zwischen entgegengesetzten Enden des Körpers als Folge des Stroms des Brennstoff-Luft-Gemischs 48 durch die Kanäle 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 Brenn­ stoff-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 der hier beschriebenen Vergaseranordnung enthält die Heizvorrichtung 54 vorzugsweise auch ein Gehäuse 74, mit dessen Hilfe der Widerstandskörper 56 zweckmäßig zwischen dem Vergaser 12 und dem Einlaßkrümmer 38 befestigt werden kann, ohne daß die Höhe der Vergaseranordnung übermäßig vergrößert wird. Vorzugsweise ist ein aus einem starren, elektrisch isolierenden Material mit einem Phenolharz gebidetes Abstandsglied 76 wie einer Mittelöffnung 78 um den Widerstandskörper 56 herumgeführt. Zwei allgemein wellenförmige Anschlußringe 80 aus einem elektrisch leitenden Federmaterial wie Berylliumkupfer sind angrenzend an die jeweiligen Enden des Körpers um die Seiten des Wider­ standskörpers gefügt, so daß sie federnd auf die Überzug­ abschnitte 66.1 und 68.1 und die einen niedrigen Kontakt­ widerstand 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 Anschluß­ ringe sind durch das Abstandsglied 76 voneinander getrennt. Jeder Anschlußring 80 weist einen seitlich von ihm ab­ stehenden Klemmenabschnitt 80.1 auf. Zwei Außengehäuseabschnitte 82 und 84, die ebenfalls vorzugsweise aus einem Phenol­ harz 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 Kanälen 58 im Widerstands­ körper liegen. Vorzugsweise sind die Außengehäuse­ abschnitte 82 und 84 abdichtend jeweils mit einer Seite des Abstandsglieds 76 verkittet oder auf andere Weise verbunden, und die Gehäuseabschnitte und das Abstands­ glied 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 Klemmen­ abschnitte 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 Widerstands­ körper 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 nicht­ leitendem Material wie Fiberglas angebracht, das verhindert, daß Plättchen aus dem keramischen Widerstandskörper in den Motor 22 gelangen. Vorzugsweise ist auch zwischen dem Wider­ standskörper 56 und dem Gehäuseabschnitt 82 im Gehäuse ein ebensolches Sieb 98 angebracht, das in die Körper­ durchlässe eintretende Brennstofftröpfchen 52 zerstäubt, damit die Verdampfung der Tröpfchen erleichtert wird.

Claims (1)

1. Elektrische Widerstandsheizvorrichtung aus einem kerami­ schen PTC-Material in Form eines Körpers, der von mehreren, parallel zueinander verlaufenden und in Stirnflächen des Kör­ pers mündenden Kanälen durchgezogen ist, dadurch gekennzeich­ net,

   • a) daß die Kanäle (58 a, 58 b) in zwei Gruppen mit abwechselnd nebeneinanderliegenden Kanälen eingeteilt sind,
   • b) die Kanäle (58 a) der einen Gruppe nur an der einen Stirn­ fläche (56.1) von Auflagern (60) umgeben sind,
   • c) die Kanäle (58 b) der anderen Gruppe nur an der anderen Stirnfläche (56.2) von Auflagern (62) umgeben sind,
   • d) daß die Innenwände aller Kanäle (58 a, b) und die Stirnflä­ chen (56.1, 56.2) des Körpers (56) mit Kontaktüberzügen (54, 66, 68) versehen sind und
   • e) daß die Oberseiten der Auflager (60, 62) beider Stirnflä­ chen von den Kontaktüberzügen frei sind.