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Heizanordnung für elektrische Wärmegeräte mit PTC-Heizele-
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menten Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Heizung
von Geraten für Haushalt und Gewerbe. Vorzugsweise ist ein Einsatz in stabformigen
Geräten kleiner Leistung wie Ondulierstäben, Lockenbürsten, Aquarienheizern, Schuhtrocknern,
Bierrern u. . vorgesehen.
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Elektrische Heizvorrichtungen mit Widerstandsheizungen, die Heizelemente
aus keramischen Werkstoffen mit positiver Temperaturcharakteristik (PTC) verwenden,
sind bekannt.
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In cier DE-AS 2 o4 237 ist ein elektrisches Haarbehandlungsgerät beschrieben,
dessen Heiz- und Temperaturregelelement aus der Parallelschaltung mehrerer PTC-Widerstandspillen
besteht. Die PTC-Widerstandspillen liegen in einer Ebene hintereinander und sind
durch Flächenelektroden verbunden, die gleichzeitig als langgestreckte Wärineblöcke
wirken.
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Die Flächenelektroden sind als halbsylindrische Kupferteile ausgeführt,
so daß die PTC-Widerstandspillen teilweise von den Flächenelektroden umschlossen
werden. Dadurch wird der elektrische Kontakt und der Wärmeübergang zwischen den
PTC Widerstandspillen und den Flächenelektroden erreicht.
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Ein Nacnteil der beschriebenen Lösung liegt darin, daß der elektrische
Übergangswiderstand zwischen Kupfer und PTC-Kerainik hoch ist.
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Dadurch kommt es zu einem hohen Spannungsabfall, der nicht zur schnellen
Aufheizung der PTC-Widerstandspillen beiträgt, so daß neben der erhöhten Netzbelastung
die Aufheizzeitspanne verlängert wird.
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Ein weiterer Nachteil besteht in der konstruktiven Lösung der Heizpatrone
des beschriebenen Haarbehandlungsgerä.tes. Der Wärmeübergang zwischen den PTC-Niiderstandspillen
und den Wärmeblöcken ist aufgrund der vorhandenen Kontaktflächen relativ gering.
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Daraus resultiert ebenfalls ein erhöhter Stromverbrzuch, um dennoch
die gewünschte Wärmemenge an die Umgebung abgeben zu können, Mit der Erfindung wird
bezweckt, elektrische Heizvorrichtungen dahingehend zu verbessern, daß ein optimaler
Wärmeübergang von den Heizelementen über die Wärmeblöcke an die Umgebung stattfindet,
der Leistungsbedarf reduziert und die Herstellung vereinfacht wird, Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, in elektrischen Heizvorrichtungen mit PTC-;jiderstandsscneiben
die stromzuführenden Elemente zur mechanischen Fixierung der PTC-Widerstandsscheiben
auszunutzen, den Übergangswiderstand zwischen den PTC-Widerstandsscheiben und den
stromzufUhr enden Elementen zu senken sowie zur Verbesserung des Wärmeüberganges
an die Umgebung, die Geometrie und den Aufbau der Heizvorrichtung zu verändern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die ETC-Heizelemente
elektrisch parallel geschaltet sind, wobei die Versorgungaspannung ueber flexible
Leitungen und daran angeschlossene Elektroden zugeführt wird. Die Elektroden liegen
an planen Flächen der Ifeizelemente an. Die Heizelemente sind derart angeordnet,
daß die planen Flächen der Heizelemente untereinander parallel sind und die Achsen
der IIeizelemente, die durch deren Mittel- bzw. Schwerpunkt verlaufen, eine Gerade
darstellen.
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Ausgestaltet wird die Erfindung dadurch, daß die Elektroden als halbzylindrisch
geformte Kontaktrinnen ausgebildet sind und jede Kontaktrinne mehrere radial nach
innen abgewinkelte Flächenelektroden aufweist. Die gegenseitig zugeordneten Flachenelektroden
sind im Abstand der planen Flächen eines Heizelements voneinander angeordnet. Die
Schmalseiten der Heizelemente sind von den Kontaktrinnen einen elektrischen Kontakt
ausschließend umschlossen. Der elektrische Kontakt zwischen den Fla:chenelektroden
und den Heizelementen ergibt sich dadurch, daß die Heizelemente zwischen je eine
Plachenelektrode jeder Kontaktrinne geklemmt sind. Die Abstände von einem Heizelement
zum anderen bzw. von einem Flächenelektrodenpaar zum anderen sind mit Isolierkörpern
ausgefüllt, die aus keramischen oder polymeren Werkstoff bestehen.
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Eine weitere Form der erfindungsgemäßen Lösung weist Elektroden auf,
die als Metallblockelektroden ausgeführt sind. Die Heizanordnung ergibt sich aus
der wechselweisen Anordnung von etallblockelektroden und Heizelementen in axialer
wichtung der Heizanordnung. Da jede zweite ?.Ietallblookelektrode an die gleiche
Klemme der Versorgungsspannung über Fortsetzungen der flexiblen Leitungen angeschlossen
ist, ist jedes Heizelement an seinen planen Flächen von zvvei stets entgegengesetzt
bre polten Metallblockelektroden kontaktiert. Die Lösung nach der erfindung beinhaltet
außerdem, daß die planen Eichen der Heizelemente zur Verringerung des elektrischen
Widerstandes zwischen Elektroden und Heizelementen mit einer metallischen Schicht
versehen sein können. Die Flächeninhalte der Beschichtungen sind dabei kleiner als
die der planen Flächen, so daß die planen Flachen im endbereich nicht von den Elektroden
kontaktiert werden. Die erfindungsgemäße Heizanoronung realisiert ein Leistungs-Temperatur-Verhalten,
das von der Widerstands-Temperastur-Charakteristik der PTC-Heizelemente abhängig
ist. Beeinflußt wird des Leistungs-Temperatur-Verhalten durch die erfindungsgemäßen
Merkmale dahingehend, daß das Regelverhalten beschleunigt wird. Der mittels der
elektrisch leitenden Beschichtung der planen Flächen der Heizelemente
herabgesetzte
t,bergangswiderstand zwischen elektroden und Heizelementen ermöglicnt einen grUßeren
Stromfluß und somit ein schnelleres Aufheizen der PEC-Heizelemente entsprechend
ihrer Kennlinie. Die Abgabe der Wärme an die Umgebung, d. h.
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an das zu heizende Medium, erfolgt von den planen Flchen der Heizelemente
über die Elektroden sowie die äußere Ummantelung der erfindungsgemäßen Heizanordnung.
Ein Wärmespeichereffekt wird erzielt, indem das vorhandene Isoliermaterial, das
die Heizelemente und die Elektroden von der äußeren Ummantelung trennt, gleichfalls
erwärmt wird. Da das Isoliermaterial aus keramischen oder polymeren Werkstoff besteht,
gibt es die aufgenommene Wärme energie langsamer ab als die metallischen Elektroden.
Demnach wird auch nach dem Abschalten der Versorgungsspannung noch Wärme an die
Umgebung abgeführt, so daß ein Elektroenergie sparender Betrieb möglich ist, wenn
die Restwärme bewußt ausgenutzt wird. Eine Steigerung des ärmespeichereffektes tritt
bei dem Einsatz der zwischen den Heizelementen angeordneten Isolierkörpern ein,
Die geometri sche Form der Elektroden erweitert deren Funktion neben Stromversorgung
und WErmeleitmittel darauf, die Heizelemente mechanisch zu arretieren. Besonders
augenfällig wird dieser Vorteil der Kombinationswirkung bei Anwendung der Kontaktrinnen
mit Flächenelektroden, die die Heizelemente in allen Freiheitsgraden fixieren. insgesamt
ergibt sich aufgrund des durch den verringerten Übergangswiderstand zwischen Elektroden
und Heizelementen hervorgerufenen erhöhten Stromflusses durch die PTC-IIeizelemente
eine Verkürzung der Aufheizzeit der Heizelemente bis zum Erreichen der PTC-Sprungtemperatur.
Somit wird das Gerät, d:s die erfindungsgemäße Heizanordnung enthält, schneller
betriebsbereit bzw. schneller auf Betriebstemperatur aufgeheizt, so daß ein erhöhter
Gebrauchswert zu registrieren ist.
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Wegen der schnellen Aufheizung, der unmittelbaren schnellen und der
indirektçn verzögerten ';iärmeabgabe und dem damit erreichten niedrigen Leistungsbedarf
in Verbindung mit dem einfachen und robusten mechanischen Aufbau gewährleistet die
erfindungsgemäße Heizanordnung eine vorteilhafte Anwendung in allen denkbaren Varianten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ondulierstabes
mit einer Heizanordnung mit Flächenelektroden; in Fig. 2 eine Explosivdarstellung
der Heizlnordnung nach Fig. 1; in Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Aquarienheizers
mit einer Helzanordnung mit Blockelektroden und in Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der
Heizanordnung nach Figs 3.
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Der in Sig. 1 dargestellte Schnitt durch eine Heizanordnung für einen
Ondulierstab zeigt die Ummantelung M, das ist das äußere Metallrohr des Ondulierstabes.
Dessen Innenfläche ist völlig mit einer Isolationsschicht I versehen, die an den
Öffnungen der 'Jmmantelung M für die elektrischen Zuleitungen Z aus der Ummantelung
herausgeführt ist und die elektrischen Zuleitungen Z umhüllt. Im Innenraum der Heizanordnung
befin den sich in axialer Richtung abwechselnd in P@he PTC-Heizelemente K und Isolationskörper
IK aus keramischen Werkstoff.
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Es sind fünf Isolationskörper 1K vorhanden. Zwischen den Isolationskörpern
IK sind vier Heizelemente K angeordnet, Die elektrischen Zuleitungen Z sind mit
in Fig. 2 dargestellten Kontaktrinnen H verbunden. Die Kontaktrinnen H weisen Ilä
chenelektroden E auf, die so angeordnet sind, daß plane Flächen der PTC-Heizelemente
K mit den Flächenelektroden E be legt sind. Dabei ist stets einer planen Fläche
eine Flächenelektrode E derart zugeordnet, daß an jedem PTC-Heizelement K je eine
Flächenelektrode E von jeder Kontaktrinne H anliegt, so daß die PTC-Heizelemente
K mit beiden Phasen der Versorgungsspannung, die über die eleksrischen Zuleitungen
Z und die Kontaktrinnen H anliegt, kontaktiert ist, d. h., eine elektrIsche Parallelschaltung
der Heizelemente K realisiert ist. Die planen Flächen der PTC-He Heizelemente K
sind mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen, die den Übergangswiderstand
zwischen den Flächenelektroden E und den Heizelementen K herabsetzt. Die Beseilichtung
ist so aufgebracht,
daß der äußere nd der planen Flachen ohne ;3eschichtung
bleibt. Die Schmalseiten der PTC-Heizelemente K sind von den die Umhüllung bildenden
Kontaktrinnen H elektrisch isoliert, Die Explosivdarstellung der Heizanordnung gemäß
Fig. 2 zeigt die bereits genannten Kontaktrinnen M, die Flächenelektroden E sowie
je ein PTC-Heizelement K und einen Isolierkörper 1K.
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Die Kontaktrinnen H sind halb zylindrisch ausgebildet und verfügen
an je einem Ende über Anschlußzungen zur Befestigung der elektrischen Zuleitungen
Z. Die Flächenelektroden E sind Teile der Nontaktrinnen H. Zur Herausbildung der
Fl:;cnenelek troden E sind die Kontaktrinnen H an jeweils vier Stellen entlang der
Scneitellinie derart ausgestanzt, daß sich Langlocher ergeben, wobei je eine Schmalseite
der Langlöcher nicht durchgetrennt ist. An dieser Schmalseite ist ds Innenmaterial
nach innen abgekantet. Das abgekantete Innenmaterial Jedes Langloches bildet Je
eine Flächenelektrode E. Die Kontaktrinnen E sind derart ausgestanzt, daß sich die
Fläcnenelektroden z paarweise zuordnen lassen, wobei jedes Paar Flächenelektroden
E einen stand voneinander aufweist, der mit der Breite der Schmalseiten der PTC-Iieizelemente
K übereinstiont, da zwischen jedes Paar Flächenelektroden E ein PTC-Heizelement
K eingepaßt ist. Der Zwischenraum zwischen den Paaren der Flächenelektroden E dient
zur Aufnahme der Isolierkörper IK. In der Fig. 2 sind der Wbersichtlichkeit wegen
lediglich ein PTC-Heizelement K und ein Isolierkörper IK dargestellt.
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Das spezifische Leistungs-Temperatur-Verhalten der PTC-Heizelemente
K in Verbindung mit der Beschichtung der planen Flächen der PTC-Heizelemente K sowie
ihre elektrische Parallelschaltung bedingt maximale Leistungsaufnahme zu Beginn
der Heizphase, d. hr, unmittelbar nach Anlegen der Versorgungsspannung. Die Zeit
der maximalen Leistungsaufnahme wird durch den mittels der Beschichtung gesenkten
Übergangswiederstand zwischen Flächenelektroden E und PTC-Heizelementen K verkürzt.
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so daß der Energieverbrauch der Heizanordnung gesenkt wird.
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Es ergibt sich eine schnelle und intensive Wärmeentwicklung, die sofort
nach Zuschaltung der Versorgungsspannung zur Form gebung der Haare genutzt werden
kann. Bei Erreichen der PEC-Sprungtemperatur geht die Leistungsaufnahme der PTC-Heizelemente
K auf ein Minimum zurück, das jedoch zum Aufrechterhalten der gewünschten Temperatur
zur Formgebung der Haare ausreicht.
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Da gleichzeitig mit der Wärmeabgabe nach außen auch die Isolierkörper
IK erwärmt werden, ist es möglich die Versorgungsspannung bereits vor Beendigung
des Frisiervorganges abzuschalten, denn die Isolierkörper IK funktionieren als Wärmespeicher
und geben die aufgenommene Wärme nach dem Abschalten der Versorgungsspannung über
die Flächenelektroden E und die Kontaktrinnen H sowie die Ummantelung M an die zu
frisierenden Haare ab, so daß eine Formgebung auch nach dem abschalten der Versorgungsspannung
möglich ist.
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Dadurch ist es möglich, den Energieverbrauch erheblich zu reS duzieren.
Der mechanische Aufbau der Heizanordnung, insbesondere die Verwendung der Flächenelektroden
E in Verbindung mit der Umhüllung der PTC-Heiz,elemente K und der Isolierkörper
IK durch die halbzylindrisch geformten Kontaktrinnen H bedingt eine gute Stabilität
und einfache montage der Heizanordnung und somit des Ondulierstabes.
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Ein weiteres Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung ist ein
Aquarienheizer, der anhand von Fig. 3 geschrieben wird, Die Heizanordnung der Aquarienheizers
besteht aus vier Metallblockelektroden EE, die über flexible Zuleitungskabel Z und
deren innerhalb der Heizanordnung verlauf enden Fortsetzungen an die Klemmen der
Versorgungsspannung angescnlossen werden, wobei jeweils die erste und die dritte
sowie die zweite und die vicrte Metallblockelektrode EM parallel geschaltet sind,
Zwischen den Metallblockelektroden EM sind PTC-Heizelemente K angeordnet. Somit
ergibt sich eine Aneinanderreihung von abwechselnd einer Metallblockelektrode EM
und einem Heizelement K, wobei der Abschluß an beiden Enden der Reihung von der
ersten
bzw. der vierten Zetallblockelektrode EM gebildet wird.
Die Heizelemente K und die Metallblockelektroden M sind von einer Isolationsschicht
I umgeben, in die die Fortsetzung der Zuleitungskabel Z eingebettet sind. Den äußeren
abschluß bildet eine Ummantelung M.
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Die PTC-Heizelemente K weisen aufbeiden an den Metallblockelektroden
EM anliegenden planen Kontaktflachen eine elektrisch leitende Beschichtung auf.
Sowohl die Metallblockelektroden EM als auch die PTC-Heizelemente K sind mit rundem
Querschnitt ausgeführt. Es sind jedoch ebenso dreieckige, viereckige oder vieleckige
Querschnitte der Metallblockelektroden EM und der Heizelemente K mit geeigneten
Kantenlängen möglich. Die uerschnittsgestaltung kann von dem Jeweiligen Anwendungsfall
abhängig sein. Nach dem Anschluß der Zuleitungskabel Z an die Versorgungsspannung
kommt es zu einem StromfluE zwischen den entgegengesetzt polarisierten Metallblockelektroden
EM, wobei die PTC-Heizelemente K als Lastwiderstände in Parallelschaltung wirken,
Somit regelt das Widerstandsverhalten der Heizelemente K den Strom, der in der Heizanordnung
fließt. Der Strom ist anfänglich groß, da PTC-Material im kalten Zustand geringen
Widerstand aufweist. Der fließende Strom erwärmt die Heizelemente K, bis die PTC-Sprungtemperatur
erreicht ist.
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Bei dieser Temperatur erhöht sich der Widerstandswert der PTC-Heizelemente
K sprunghaft, der Stromfluß wird auf ein minimum reduziert. Dieser minimale Strom
ist ausreichend, die von den Heizelementen K abgegebene Wärmeenergie auszugleichen.
Der Wärmestrom fließt von den Heizelementen K über die Metallblockelektroden EM,
die dadurch aufgeheizt werden, die Isolationsschicht I und die Ummantelung M zur
Umgebung ab. Ein geringerer Anteil fließt von den PTC-Heizelementen K direkt über
die Isolationsschicht I und die Ummantelung zur Umgebung, d. h. in das zu erwärmende
Wasser des Aquariums.
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Zur Erläuterung von Fig. 4 werden die mathematischen Zusammenhänge
zwischen den elektrischen Größen des Ersatzschaltbildes und dem Wirkungsgrad der
Heizanordnung verdeutlicht.
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Die elektrisch leitende Beschichtung der an den Metallblockelektroden
EM anliegenden planen Kontaktflächen der Heizelemente k bewirkt eine Reduzierung
des Übergangswiderstandes Rü, so daß über den Heizelementen K ein erhöhter Anteil
aer Versorgungsspannung Uv abfällt und somit der Wirkungsgrad # der Heizanordnung
ansteigt
Die zugeführte Leistung Pzu ist Pzu = Uv . JQ (2) wobei
und Uv = JPTC . (Rü + + RPEC) sind. (3),(4) Die abgegebene Leistung Pab ergibt sich
aus
und entspricht der von den Heizelementen K emittierten Wärmeleistung. Der Wirkungsgrad
# folgt demnach aus den Gleichungen (1), (2), (3), (4) und (5) mit
Es wird somit die Abhängigkeit des Wirkungsgrades # der Heizelemente K von dem Übergangswiderstand
Rü deutlich. Eine weitere Abhängigkeit des Wirkungsgrades 7 dcr Heizanordnung besteht
darin, daß der Wärmeübergang von den Heizelementen K an die Umgebung maximal ist.
Dies wird erfindungswesentlich durch die Vergrößerung der die Wärme abgebenden Oberfläche
in Form der Metallblockelektroden EM erreicht, ohne von den fertigungstechnischen
Vorteilen von PTC-Material in Tablettenform gegenüber größeren Blöcken, wie geringerem
Aufwand wegen des Nichtauftretens von Wärmespannungen, abzugehen.
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- L e e r s e i t e -