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Elektrisches W i derstandshe i ze I ement
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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement, mit
mindestens einem Heizleiter in Form eines an gegenüberliegenden Flächen mit einer
Kontaktierung versehenen Elements aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstands (PTC-Element) sowie mit zwei im wesentlichen ebenen
Kontaktblechen,wobei eine als den Kontaktblechen und dem dazwischen gelegten PTC-Element
gebildete Kontaktanordnung elastisch zusammengehalten ist.
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Bei Elektrowärmegeräten, insbesondere elektrisch beheizten Hausgeräten
wie Kaffeemaschinen, Heizlüfter, Haarföne usw. werden in zunehmendem Maße anstelle
herkömmlicher W i derstandshei zel emente, deren Heizleiter s einem metallischen
Draht besteht, solche Widerstandsheizelemente eingesetzt, deren Heizleiter ein oder
mehrere PTC-Elemente sind. Solche
PTC-Elemente haben üblicherweise
prismenförmige Gestalt mit zwei gegenüberliegenden planparallelen Flächen und rundem
oder polygonalem Grundriß, bestehen gewöhnlich aus einem Keramikmaterial, insbesondere
auf Bariumtitanat-Basis und haben die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen
Leistungsaufnahme gleichsam selbst stabilisieren, weil der elektrische Widerstandrinem
bestimmten Temperaturbereich stark zunimmt. Der elektrische Anschluß dieser PTC-Elemente
erfolgt gewöhnlich dadurch, daß die zwei gegenüberliegenden Flächen durch eine in
geeigneter Weise aufgebrachte Metallisierung kontaktiert und durch Anschlußelemente
an eine Stromzuführung angeschlossen werden.
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Die elektrische Leistungsaufnahme und damit die erreichbare Wärmeabgabe
hängt bei PTC-Elementen wesentlich von der Wärmeabfuhr und damit davon ab, daß ein
geringer Wärmewiderstand zu den zu erwärmenden Bauteilen bzw. Medien besteht. Bei
hohem Wärmewiderstand gelangt das PTC-Element schon bei geringer Leistungsaufnahme
in den Bereich der Übergangstemperatur, in dem der elektrische Widerstand stark
zunimmt. Damit werden zwar die nachteiligen Folgen einer Überhitzung vermieden,
die Wärmeleistung bleibt aber unbefriedigend. Daraus folgt, daß ein geringer Wärmewiderstand
anzustreben ist.
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Es ist bekannt'( vgl. DE-OS 26 14 433), PTC-Elemente in eine rohrförmige
Hülse einzusetzen und den Anschluß mit federnden Schienen vorzunehmen, die zugleich
der Wärmeableitung dienen. Ferner ist es bekannt (vgl. DE-AS 2641 894), die PTC-Elemente
mit Anschlußdrähten zu verbinden, beispielsweise durch Löten, und mit einer wärmeleitenden,
elektrisch isolierenden Masse in einem Gehäuse einzubetten. Diese bekannten Maßnahmen
lassen sich nur verhältnismäßig aufwendig und mit beträchtlichem Einsatz von Handarbeit
verwirklichen, eignen sich jeweils
nur für einen sehr begrenzten
Anwendungsbereich und lassen vor allem hinsichtlich der Wärmeableitung von den PTC-Elementen
zu wünschen übrig.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist bereits
vorgeschlagen worden (vgl. Patentanmeldung P 28 45 965.6-34), wie eingangs angegeben,
als Anschlußelemente zwei in wesentlichen ebene Kontaktbleche vorzusehen und eine
aus diesen Kontaktblechen mit dem dazwischen gelegten PTC-Element (bzw. mehreren
PTC-Elementen) gebildete sandwichartige Kontaktanordnung zu bilden, die elastisch
zusammengehalten wird. Die Kontaktbleche sind dabei an den Grundriß der PTC-Elemente
angepaßt und werden durch randseitig aufgesetzte Halteelemente zusammengehalten.
Der damit gegebene Zusammenhalt sichert eine problemlose Manipulierbarkeit einer
solchen Kontaktanordnung , er gewährleistet aber nicht den für den Wärmeübergang
notwendigen Andruck zwischen Kontaktblechen und PTC-Elementen. Dieser betriebsmäßig
erforderliche Andruck wird erst beim Einbau in ein Gerät dadurch aufgebracht, daß
die KG,xtaktanordnung mit entsprechenden Gerätetei len verspannt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstandsheizelement
der eingangs angegebenen und vorstehend erläuterten Gattung zu einer in verschiedensten
Anwendungsfällen einsetzbaren selbstständigen Baueinheit auszugestalten, die unabhängig
von weiteren Einbaumaßnahmen optimale Wärmeableitung vom PTC-Element gewährleistet
und sich in einfacher und kostengünstiger Weise herstellen läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektrischen Widerstandsheizelement
der eingangs angegebenen Gattung gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen die
Kontaktanordnung mit Spiel umgebenden Haltering
aus elektrisch isolierendem
Material und mindestens ein zwischen einem der Kontaktbleche und der Innenwandung
des Halterings unter elastischer Verformung eingesetztes Federelement, wobei die
Kontaktbleche als Wärmeabgabeflächen ausgebildet sind und das PTC-Element in Längsrichtung
der Kontaktanordnung an mindestens einer Seite überragen. - Bei einem erfindungsgemäßen
Widerstandsheizelement dient das Federelement lediglich dazu, den für den Wärmeübergang
vom PTC-Element zu den Kontaktblechen erforderlichen Andruck herzustellen, während
die Druckkraft vom Haltering als Widerlager aufgenommen wird. Weder Fe-Federelement
noch Haltering brauchen nennenswert zur Wärmeabgabe bei -zutragen, diese erfolgt
vielmehr durch die Kontaktbleche, die erfindungsgemäß nicht nur zur Stromzuführung
sondern zugleich zur Wärmeableitung dienen. Dazu überragen die Kontaktbleche das
PTC-Element in Längsrichtung an wenigstens einer Seite um einen Betrag, der vorzugsweise
mindestens der Längsausdehnung des PTC-Elements entspricht. Die Kontaktbleche bestehen
dazu aus einem nicht nur elektrisch leitenden, sondern auch gut wärmeleitenden Metall,
beispielsweise Kupfer, Aluminium od.
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dgl.. Durch entsprechende Bemessung der Länge der Kontaktbleche läßt
sich der Wärmewiderstand vom PTC-Element zum Wärmeverbraucher in weiten Grenzen
einstellen. Der elektrische Anschluß erfolgt dadurch, daß Anschlußdrähte in üblicher
Weise durch Löten, Punktschweißen, Klemmen od. dgl. mit den Kontaktblechen verbunden
werden.
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Der elektrisch isolierende Haltering kann aus üblichen Isoliermaterialien,
beispielsweise aus - ggfs. glasfaserverstärktem - Kunststoff, aus Keramik oder auch
aus mit einer isolierenden Beschichtung versehenem Metall bestehen. Die in Längsrichtung
der Kontaktanordnung gemessene Breite des Halterings entspricht vorzugsweise im
wesentlichen der Breite des PTC-Elements, um bei größtmöglichen Wärmeabgabeflächen
die erforderliche Stabilität zu erreichen. Der Haltering kann - beispielsweise bei
Ausführung
aus isolierend beschichtetem Metall - aus einem Streifen
so zusammengebogen werden, daß ein Schlitz verbleibt, wird im übrigen aber vorzugsweise
umfangsseitig geschlossen ausgeführt.
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Der Innenraum des Halterings ist im Querschnitt vorZugsweise im wewesentlichen
rechteckig ausgeführt und an den Querschnitt der Kontaktanordnung angepaßt. Die
Kontaktbleche und das PTC-Element, das vorzugsweise gleiche Breite wie die Kontaktbleche
aufweist, werden dadurch im Haltering geführt. In zur Ebene der Kontaktbleche senkrechter
Richtung weist der Innenraum des Halterings selbstverständlich entsprechendes Ühermaß
auf, um das Einsetzen des Federelements zu ermöglichen. Für das Federelement empfiehlt
sich besonders eine Ausführung aus einem gewellten Federblech, wobei vorzugsweise
die Wellungen senkrecht zur Längsrichtung der Kontaktanordnung verlaufen. Unter
Längsrichtung ist dabei die Achsrichtung des Halterings zu verstehen, in der auch
das Einschieben des Federelements zwischen Haltering und Kontaktblech erfolgt.
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Bei höherem Leistungsbedarf kann es zweckmäßig sein, mehrere PTC-Elemente
vorzusehen. Dazu lehrt die Erfindung, daß die Kontaktanordnung mehrere in Reihe
hintereinander zwischen die Kontaktbleche eingelegte PTC-Elemente aufweist und im
Bereich jedes PTC-Elements ein Haltering mit Federelement angeordnet ist. Mit anderen
Worten werden dabei an den Kontakblechen mehrere PTC-Elemente jeweils mit Haltering
und Federelement hintereinander aufgereiht, die ihre Wärmeenergie über die ger einsamen,
entsprechend lang ausgeführten Kontaktbleche abgeben. Es besteht selbstverständlich
auch die Möglichkeit seitlich nebeneinander mehrere PTC-Elemente anzuordnen, die
Hintereinanderanordnung ist jedoch zu bevorzugen, weil dabei an die Steifigkeit
der Halteringe geringere Anforderungen gestellt werden können.
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In jedem Fall empfiehlt es sich, daß mindestens eines der Kontaktbleche
im wesentliche biegesteif ausgeführt wird'und zu uns damit einen mehr oder minder
stabilen Träger der ganzen Anordnung darstellt.
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Dagegen kann das andere Kontaktblech verhältnismäßig geringe Steifigkeit
aufweisen, so daß bei Anordnung mehrerer PTC-Elemente, deren Höhe im Rahmen üblicher
Toleranzen differieren kann, hintereinander eine zuverlässige Anlage beider Kontaktbleche
an den PTC-Elementen ohne unerwünschte elastische Spannungen gewährleistet ist.
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Der Wärmeübergang von den Kontaktblechen eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelements
auf einen Wärmeverbraucher kann auf unterschiedliche Weise bewirkt werden. Häufig
wird das Widerstandsheizelement in eine entsprechende Ausnehmung des Wärmeverbrauchers
eingesetzt und mit einer geeigneten Füllmasse, beispielsweise wärmeleitendem Silikonkautschuk,
vergossen oder bei Ausführung als "Heizpatrone" in einen Mantel aus einer solchen
Füllmasse eingegossen. Um das Vergießen in einfacher Weise zu ermöglichen, lehrt
die Erfindung, daß der Haltering an seiner Außenseite angeschlossene im wesentlichen
radial verlaufende Abstützflügel aufweist. Damit besteht in einfacher Weise die
Möglichkeit, das erfindungsgemäße Widerstandsheizelement in Ausnehmung bzw. Gießform
genau positioniert unter Abstützung durch die Abstützflügel einzusetzen und den
Verguß vorzunehmen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein elektrisches Widerstandsheizelement
in Seitenansicht, Figur 2 den Gegenstand der Fig. 1 im Querschnitt II - II
Figur
3 eine andere Ausführungsform des Gegenstands der Fig.2 im Längsschnitt III - III,
Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines elektrischen Widerstandsheizelements
im Querschnitt Figur 5 den Gegenstand der Fig. 4 im Längsschnitt V - V.
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Das in Figur 1 dargestellte elektrische Widerstandsheizelement besteht
im wesentlichen aus einer Kontaktanordnung 1 und einem die Kontaktanordnung 1 umgebenden
Haltering 2. Die Kontaktanordnung 1 ist aus zwei ebenen und zu einander parallelen
Kontaktblechen 3 aus Kupfer und einem zwischen den Kontaktblechen 3 angeordneten
PTC-Element 4, dus an gegenüberliegenden, an den Kontaktblechen 3 anliegenden Flächen
mit einer (In den Figuren nicht dargestellten) Kontaktierung versehen ist, aufgebaut.
Zur Stromzuführung sind an die Kontaktbleche 3 Anschlußleitungen 5 angelötet. Wie
die Fig. 1 deutlich zeigt, überragen die Kontaktbleche 3 das PTC-Element 4 an beiden
Seiten, während (vgl.
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Fig. 2) Kontaktbleche 3 und PTC-Element 4 im wesentlichen gleiche
Breite aufweisen.
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Die Kontaktanordnung 1 ist in Längsrichtung in den Innenraum des Halterings
2 eingeschoben, dessen Längsabmessung im wesentlichen mit der Längsabmessung des
PTC-Elements 4 übereinstimmt. Der Haltering 2 besteht aus einem üblichen Isoliermaterial
entsprechender Biegefestigkeit und ist umfangsseitig geschlossen. Der Innenraum
des Halterings 2 ist im Querschnitt rechteckig und hinsichtlich seiner Breitenabmessung
an den Querschnitt der Kontaktanordnung 1 angepaßt. Zwischen dem oberen Kontakts
-ch 3' und der Innenwandung des Halterings 2 ist ein Federelement 6 unter elastischer
Verformung eingesetzt, durch das unter Abstützung am Haltering 2 Kontaktbleche 3
und PTC-Element 4 elastisch zusammengehalten
werden1 sodaß ein
guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
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Das Federelement 6 besteht aus einem gewellten Federblech mit senkrecht
zur Längsrichtung der Kontaktanordnung 1 verlaufenden Wellungen, und ist in Längsrichtung
in den Spalt zwischen Kontaktblech 3' und Haltering 2 eingeschoben. Eine am Federelement
6 angebogene Nase 7 liegt in eingeschobenem Zustand am Haltering 2 an und sichert
eine eindeutige Positionierung des Federelements 6.
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Die aufgrund des durch die Kontaktbleche 3 zugeführten Stroms im PTC-Element
4 freigesetzte Wärmeenergie geht auf die Kontaktbleche 3 über und wild von diesen
an einen (nicht dargestellten) in Wärmekontakt stehenden Verbraucher abgegeben.
In den Figuren 1 und 2 ist angedeutet, daß das untere Kojitaktblech 3" gegenüber
dem oberen Kontaktblech 3' stärker und damit so biegesteif ausgeführt ist, daß es
zugleich als Träger der ganzen Anordnung benutzt werden kann.
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Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform für höhere Wärmeleistung bei
der mehrere PTC-Elemente 4 in Reihe hintereinander zwischen die Kontaktbleche 3
eingelegt sind. Im Bereich jedes einzelnen der PTC-Elemente 4 ist ein eigener Haltering
2 mit Federelement 6 angeordnet. Die PTC-Elemente 4 sind mit gegenseitigem Abstand
angeordnet, so daß durch die dazwischen liegenden Bereiche der Kontaktbleche 3 die
Wärmeabgabe erfolgt.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform als "Heizpatrone",
bei der das Widerstandsheizelement in einen Mantel 8 aus wärmeleitendem Silikonkautschuk
eingegossen ist. Zur Positionierung des Widerstandsheizelements in einer (nicht
dargestellten) Gießform beim Vergießen sind an der Außenseite des Halteringsdrei
Abstützflügel 9 angeschlossen, die im wesentlichen radial verlaufen und sich im
übrigen nur über einen Teil der Länge des Halterings 2 erstrecken müssen, wie in
Fig. 5 dargestellt ist.
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