DE2949968A1

DE2949968A1 - Heat transfer system for heater elements - has gaps between insulating layers filled with superplastic metal alloy strips

Info

Publication number: DE2949968A1
Application number: DE19792949968
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Koslar
Original assignee: STEINEL KG
Current assignee: STEINEL KG
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-12-12
Publication date: 1980-07-03
Also published as: ATA899978A

Abstract

The system transfers heat to heater elements separated by gaps, partic. where the elements - esp. of the positive temp. coefficient type - are mounted between insulating layers separated by gaps. Each gap is filled by a strip (12) of superplastic metal alloy, typically 80% zinc and 20% aluminium. Filling can take place at non-normal temp., the strips being then heated under pressure to half the alloy melting temp. until plastic distortion takes place. The heating elements can be in appts. for heating water.

Description

Vorrichtung zur Wärmbübertragung an durch Spalte voneinander Device for heat transfer through gaps from one another

getrennten Heizkörperelementen und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung an durch Spalte voneinander getrennten Heizkdrperelementen, insbesondere mit durch Spalte voneinander getrennten Isolierschichten, zwischen denen Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente angeordnet sind, sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung. separate radiator elements and processes for their manufacture The invention relates to a device for transferring heat to through gaps radiator elements separated from one another, in particular with one another by gaps separate insulating layers between which heating elements, especially PTC heating elements are arranged, as well as a method for their production.

Bei der Wärmeübertragung von einem wärme leitenden Heizkfrperelement auf ein benachbartes wärmeleitendes Heizkörperelement lassen sich bisher nicht ausreichend hohe Wärmeleitwerte erzielen, da zwischen benachbarten wärme leitenden Heizkörperelementen auf Grund von Toleranzschwankungem, Ebenheitsabweichungen oder einer Oberflächen-Rauhigkeit Spaltflächen vorhanden sind, die mit Luft gefüllt sind. Da die Wärmeleitfähigkeit dieser Spaltflächen, vergl-ichen mit anderen Medien, sehr gering ist, wird der Wärmeleitwiderstand der gesamten Vorrichtung im wesentlichen durch den Wärmeleitwiderstand der Spaltflächen bestimmt.When transferring heat from a thermally conductive radiator element So far, it has not been possible to adequately apply an adjacent thermally conductive heating element Achieve high thermal conductivity values, because between adjacent heat-conducting radiator elements due to tolerance fluctuations, flatness deviations or a surface roughness There are gap surfaces that are filled with air. Because the thermal conductivity This gap area is very small compared to other media, the thermal resistance becomes of the entire device essentially by the thermal resistance of the gap surfaces certainly.

Soweit bisher ansich vorteilhafte PTC-Heizelembate (PTC positiver Temperatur-Koefrizient) verwendet werden, so ist es bisher nicht gelungen, den Wärmeübergang innerhalb von Heizgeräten, wie Heißwassergeräten, ausreichend gut zu gewthrleisten. Man hat versucht, Metalle,wie Blei oder Oold als Wärmekopplungswerkstoffe in die Spaltflächen zwischen benachbarten wärme leitenden Heizkörperelementen einzubringen und diese Spalte damit dauerhaft auszufüllen. Da jedoch die M*-talle durch Wärme und Druck nach zunächst guten mechanischen Eigenschaften sich wieder plastifizieren und dadurch als Schicht sich verändern und ihre notwendigen mechanischen Eigenschaften verlieren, so zeigten sich diese Metalle als nur bedingt geeignet. Sie haben nämlich entweder für die Wlrmeübertragung einen zu geringen Schmelzpunkt oder sie sind relativ teuer. Da ihre plastischen Eigenschaften ab gewissen Temperaturen nicht verlorengehen (reversibel sind), so kennen diese Metalle, zu denen auch reines Aluminium zu zählen ist, - insbesondere bei höheren Temperaturen - weiterfließen und zu unerwünschten Effekten (z.B. bei der Kopplung von Ioolationsmaterialien zu elektrischem Kurzschluß) führen.As far as previously advantageous PTC heating elements (PTC positive Temperature coefficient) are used, so it has not yet been possible to control the heat transfer within heating devices such as hot water devices. Attempts have been made to use metals such as lead or oold as heat coupling materials in the Bring gap surfaces between adjacent heat-conducting radiator elements and fill in this column permanently. Since, however, the M * -tall by heat and pressure after initially good mechanical properties plasticize themselves again and thereby change as a layer and its necessary mechanical properties lose, these metals were only suitable to a limited extent. Because you have either too low a melting point for heat transfer or they are relative expensive. Because their plastic properties are not lost at certain temperatures (are reversible), so know these metals, which also include pure aluminum - especially at higher temperatures - continue to flow and become undesirable Effects (e.g. when coupling Ioolation materials to an electrical short circuit) to lead.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung an durch Spalte voneinander getrennten Heizkörperelementen, insbesondere mit durch Spalte voneinander getrennten Isolierschichten, zwischen denen Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente angeordnet sind, zu schafen, die unter Vermeidung eines Spaltes eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei der den Spalt ausfüllende, von Natur aus eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Werkstoff mit höherem Schmelzpunkt auch bei Druck und höherer Temperatur (unterhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Füllwerkstoffes) sich beim Einbringen in die Spalte zunächst plastisch verformt, jedoch später diese plastische Eigenschaft irreversibei wieder verliert.The object of the invention is to provide a device for heat transfer on radiator elements separated from one another by gaps, in particular with through Column separated from each other Layers of insulation between which Heating elements, in particular PTC heating elements, are arranged to sheep under Avoidance of a gap has good thermal conductivity, the gap filling, naturally high thermal conductivity having material with higher melting point even at pressure and higher temperature (below the melting temperature of the respective filler material) initially plastically when introduced into the gap deformed, but later irreversibly loses this plastic property again.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung an durch Spalte voneinander getrennten Heizkörperelementen, insbesondere mit durch Spalte voneinander getrennten Isolierschichten, zwischen denen Heizelemente, insbesondere PTC-Heizelemente angeordnet sind, jeweils der Spalt mittels Streifen aus einer "superplastischen" Metall-Legierung@ ausgefüllt.According to the invention is in a device for heat transfer on radiator elements separated from one another by gaps, in particular with through Column of separate insulating layers, between which heating elements, in particular PTC heating elements are arranged, each of the gap by means of strips of a "superplastic" Metal alloy @ filled in.

Unter einer "superplastischen Metall-Legierung" wird die Eigenschaft einer Metall-Legierung verstanden, im Zugversuch extrem hohe Dehnungen zu ertragen, wobei eine starke Geschwindigkeitsabhängigkeit der Fließspannung die Bildung einer Einschnürung verhindert (vgl.Aufsatz "Superplastizität" von H.P.Stüwe in Zeitschrift: Metallkunde Bd.61 S.704-710).Under a "superplastic metal alloy" is the property a metal alloy understood how to endure extremely high elongations in tensile tests, with a strong velocity dependence of the yield stress the formation of a Constriction prevented (see article "Superplastität" by H.P. Stüwe in the magazine: Metallkunde vol. 61 pp. 704-710).

Bei mechanischer Beanspruchung läßt somit eine "superplastische Metall-Legierung" eine außerordantlich hohe Verformung zu.In the event of mechanical stress, a "superplastic metal alloy" an extraordinarily high deformation.

Während bei den meisten metallischen Werkstoffen die Zerst6-rung nach plastischer Beanspruchung schon bei einer Verformung von 100 S auftritt, ist dagegen bei superplastischen Metall-Legierungen eine Verformung, z.B. im Zugversuch, von 100 bis zu mehr als 1000 % möglich.While with most metallic materials the destruction after plastic stress occurs at a deformation of 100 S, is against it in the case of superplastic metal alloys, a deformation, e.g. in a tensile test, of 100 to more than 1000% possible.

Gemäß einer quantitativen Definition von "superplastischen Metall-Legierungen" wird hier ein Verformungsmechanismus wirksam, bei dem mit größer werdender Umformgesohwindigkeit die Pließspannung exponentiall zunimmt. Als physikalische Erklärung dieser Vorgänge wird ein Korngrenzengleiten genannt. Dieser Viskosevorgang ist der angelegten Fließspannung proportional, was durch ein feinkörniges Kristallgefüge begünstigt wird.According to a quantitative definition of "superplastic metal alloys" a deformation mechanism becomes effective here, in which the deformation speed increases the positive stress increases exponentially. As a physical explanation of these processes is called a grain boundary slip. This viscous process is the applied yield stress proportional, which is favored by a fine-grain crystal structure.

Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte im Außennormaltemeratur-Zustand mit Streifen aus "superplastischer Metall-Legierung gefüllt und unter Druck bis etwa zu halben Schmelztemperatur der Legierung bis zu iherer plastischen Verformung erwärmt wird, danach wird die Legierung bei einer Temperatur von etwa 2/3 ihrer Schmelztemperatur gehalten und anschließend abgekühlt. Hierdurch wird eine Rekristallisation ihres superplastischen Metallgefüges erreicht, so daß bei normaler Betriebstemeratur, die etwa bei 1/3 des Schmelzpunktes der Legierung liegen aollte, die superplastischen Eigenschaften durch den Rekristallisationsvorgang nahesu zum Verschwinden gebracht sind.One method of making such a device is thereby characterized in that the column in the outside normal temperature state with stripes "Superplastic metal alloy filled and pressurized up to about half the melting temperature the alloy is heated until it is plastically deformed, after which the Alloy is kept at a temperature of about 2/3 of its melting temperature and then cooled. This causes a recrystallization of their superplastic Metal structure reached, so that at normal operating temperature, which is about 1/3 the melting point of the alloy should be, the superplastic properties almost disappeared by the recrystallization process.

Durch das erfindungsgemäße Ausfüllen eines Spaltes zwischen dadurch voneinander getrennten Heizkörperelementen mittels einer 'tsuperplastischen Metall-Legierung" werden Uberraschende Vorteile erziehlt. Die bisher kaum technisch mögliche Ausrüstung von Heizgeräten mit PTC-Heizelementen (mit Bariumtitanoxid tBariustitanat, als sogenannte Perowskit-Keramik) ist gegeben, die neben kostengünstiger Beschaffung besonders vorteilhafte elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen.By filling a gap between it according to the invention radiator elements separated from each other by means of a superplastic metal alloy " Surprising advantages are achieved. The up to now hardly technically possible equipment of heaters with PTC heating elements (with barium titanium oxide tBariustitanat, as so-called Perovskite ceramics) is given, in addition to inexpensive procurement, especially have advantageous electrical and mechanical properties.

Der Wärmeübergang innerhalb der mit einer "superplastischen Metall-Leg#erung" ausgefüllten Spalte zeigt optimale Werte, so daß Übergangswärmewiderstände in Spalten praktisch verhindert werden können.The heat transfer within the "superplastic metal alloy" filled column shows optimal values, so that transition thermal resistances in crevices can be practically prevented.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig.1 einen Schnitt durch eine Heizvorrichtung; Fig.2 einenperspektivische Ansicht einer Heilvorrichtung teilweise im Schnitt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing. They show: FIG. 1 a section through a heating device; Fig. 2 is a perspective Partial section view of a healing device.

Mit 10 ist ein Aluminium-Heizträger bezeichnet, der mit Rohrschlangen 11 ausgerüstet ist, in denen ein aufzuheizendes Medium wie Wasser zirkuliert.With 10 an aluminum heating carrier is referred to, which with coils 11 is equipped, in which a medium to be heated such as water circulates.

Nach innen benachbart liegen an der inneren Außenseite des Aluminium-Heizträgers 10 "superplastische Metall-Legierungsstreifen" 12, an, die einen zunächst unvermeidlichen tor denen Spalt zwischen dem Aluminium-Heizträger 10 und einer inneren Isolierschicht (elektrischen isolierend) 13 nach Erweiterung unter Druck derart ausfallen, daß alle Luft ver drängt ist und die Berührungsflächen satt aneinanderliegen, um einen vollständigen Wärmeübergang zu gewährleisten.Inwardly adjacent lie on the inner outside of the aluminum heating element 10 "superplastic metal-alloy strips" 12, which are initially inevitable tor those gap between the aluminum heating support 10 and an inner insulating layer (electrical insulating) 13 fail after expansion under pressure in such a way that all air is displaced and the contact surfaces lie close to one another, around one to ensure complete heat transfer.

In gleicher Weise liegen weitere "superplastische Metall-L#gierungsstreifen" 14 auf der Innenseite der vorgenannten Isolationsschicht 13 vollflächig an und befahren ebenfalls vollflächig die Außenflächen mittlerer PTC-Heizelemente 15, wobei die superpiastischen Metallstreifen hier gleich als Elektroden zur Kontaktierung der PTC-Heizelemente dienen.In the same way, there are other "superplastic metal alloy strips" 14 on the inside of the aforementioned insulation layer 13 over the entire surface and drive on also over the entire surface of the outer surfaces of middle PTC heating elements 15, the superpastic metal strips here as electrodes for contacting the PTC heating elements are used.

Als "superplastische Metall-Legierung" wird beispielsweise ein. Legierung aus 80 % Zn und 20 % Al genannt. Der Schmelzpunkt dieser Legierung liegt bei etwa 500 °C, während der thermische Arbeitsbereich dieser Legierungsstreifen 12 bzw. 14 bei etwa 230° - 270° liegt. Wird dieserLegierung zwischen den Grenzflächen der benachbarten Isolationsschichten 13 und dem Meizträger 10 bzw. dem Hei.-elemente 15 nach erfolgter plastischer Verformung bis etwa 250° nach dem Einbringen in die besagten Spalten darauffolgend für eine gewisse Dauer bei etwa 3000 gehalten und danach langsam abgekühlt, 50 verschwinden bei der zweiten Kristallphasenveränderung die plastischen Eingenschaften der "superplastischen Metall-Legierung" irreversibel in Bezug zur Arbeitstemperatur, so daß sich die mechanischen Abmessungen der Metall-Legierungsstreifen 12 bzw. 14 auoh nicht weiter verändern. Durch das Fehlen Jeglicher Luft zwischen den Oronsflächen zwischen Isolationsschicht und Heizschichten (Heizelemente) fehlt der bisher so nachteilige wärmeisolierende Widerstand der Luft zwischen den Grenzflächen, so daß mit der Erfindung ein optimaler Wärmeübergang von dem Heizelement 15 auf den Heisträger 10 und damit auch auf das durchfließende aufzuheizende Medium möglicht ist.For example, a "superplastic metal alloy" is used. alloy the end 80% Zn and 20% Al. The melting point of this alloy is around 500 ° C, while the thermal working range of these alloy strips 12 or 14 is at about 230 ° - 270 °. Will this alloy between the interfaces the adjacent insulation layers 13 and the Meizträger 10 or the heating elements 15 after plastic deformation up to about 250 ° after introduction into the said columns subsequently held at about 3000 for a certain period and then slowly cooled, 50 disappear with the second crystal phase change the plastic properties of the "superplastic metal alloy" are irreversible in relation to the working temperature, so that the mechanical dimensions of the metal alloy strip Do not change 12 or 14 any further. Due to the lack of any air between the oron surfaces between the insulation layer and the heating layers (heating elements) are missing the previously so disadvantageous heat-insulating resistance of the air between the interfaces, so that with the invention an optimal heat transfer from the heating element 15 to the Heisträger 10 and thus also on the flowing medium to be heated possible is.

Fig. 2 veranschaulicht die flächenhafte Ausbildung der einzelnen Schichten; ausgehend von den mittleren flächenförmigen PTC-Heizelementen 15 füllen die "superplastichen Metall-Legierungsstreifen" 14 die Spalte zwischen den Grenzflächen dieser Heizelemente 15 und den notwendigen Isolationsschichten 13 einerseits ebenso wie die zwischen den Grenzflächen der Isolationsschichten 13 und dem Aluminium-Heizträger- 10, der die Rohrschlangen 11 aufnimmt bzw. bildet, andererseits.Fig. 2 illustrates the planar formation of the individual layers; starting from the central planar PTC heating elements 15, the "superplastic" fill Metal Alloy Strips "14 the gaps between the interfaces of these heating elements 15 and the necessary insulation layers 13 on the one hand as well as those between the interfaces of the insulation layers 13 and the aluminum heating carrier 10, the the coils 11 receives or forms, on the other hand.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims 1. Device for heat transfer to through column separate radiator elements. especially with by gaps from each other separate Isolierschiohten, between which heating elements, especially PTC heating elements are arranged, characterized in that in each case the gap by means of a strip (12) is filled in from a "superplastic metal alloy".

2. Device for heat transfer according to claim 1, characterized in that because the "superplastic metal alloy" consists of about 80% Zn and 20% Al.

3. Process for the manufacture of device sur heat transfer according to claims 1 or 2, characterized in that the gaps are in the outside normal temperature state filled with strips (12) made of "superplastic metal alloy" and then these under pressure up to half the melting temperature of the metal alloy up to its plastic Deformation to be heated.

4. A method of manufacturing device according to claim 3, characterized in that characterized in that the disputes (12) after plastic deformation up to about 2/3 of the melting temperature are kept and then cooled.