DE3730195A1 - Elektrischer heizkoerper mit positivem temperatur-koeffizienten - Google Patents

Description

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, für den niederen Temperaturbereich bis etwa 300°C mit kleinen bis mittleren spezifischen Oberflächenheizleistungen einen elektrischen Heizkörper zu entwickeln, der selbst­ tätig temperaturbegrenzend arbeitet, für ein breites heizungstechnisches Anwendungsgebiet geeignet ist und unter Verwendung marktbewährter Kaltleiter-Heizwider­ stände derart aufgebaut werden kann, daß auch Forderungen nach unterschiedlichen Heizleistungsdichten innerhalb der beheizten Länge eines Heizkörpers und Anpassung des Heiz­ körperquerschnitts zur Optimierung an eine spezielle Heiz­ aufgabe erfüllt werden können. Die Eigenschaften von Heiz­ körpern nach dem erfindungsgemäßen Gedanken sind für Patro­ nenheizkörper, zur Herstellung beheizter Kalanderwalzen und für Konvektorheizkörper in einem breiten Feld weiterer Anwendungsmöglichkeiten von besonderem Vorteil.

Der erfindungsgemäße Gedanke des neuartigen elektrischen Heizkörpers ist in den Patentansprüchen 1 bis 8 beschrie­ ben. Anhand der Zeichnungen - Fig. 1 bis 4 - werden die Funktion und der Aufbau weitergehend erläutert.

Fig. 1 stellt den Heizkörper im Schnittbild mit zweisei­ tigen elektrischen Anschlüssen dar. Die scheibenförmigen elektrischen Kaltleiter-Heizelemente 1 sind hier für Kleinspannungen, z.B. 6 bis 30 Volt, ausgelegt und für den Betrieb an Niederspannungen, z. B. 100 bis 400 Volt, elektrisch in Reihe geschaltet. Damit der relativ hohe Einschaltstrom durch den Betrieb in Reihenschaltung mit Niederspannungen nicht zerstörend auf die Kaltleiter- Heizelemente 1 wirkt, muß mindestens ein scheibenförmiges Heizelement 11 ein Heißleiter-Heizelement sein. Der hohe Ohmsche Widerstand von Heißleitern bei Raumtemperatur be­ wirkt, daß nur ein kleiner Einschaltstrom entsteht, der mit zunehmender Erwärmung ansteigt, bis die Heizkörper­ gebrauchstemperatur erreicht und der Ohmsche Widerstand von den einzelnen Kaltleiter-Heizelementen 1 und dem Heißleiter-Heizelement 11 annähernd gleich ist.

Zwischen den einzelnen Heizelementen 1 und 11 ist zur elektrischen Kontaktierung und zur Wärmeleitung an dem aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellten Heiz­ körpermantel 3 mindestens je eine Metallscheibe 2 einge­ fügt. Die Metallscheiben 2 haben vorteilhaft einseitig eine Form-Einprägung zur Lagefixierung der Heizelemente 1 und 11, die aber auch durch einen Kontaktkleber ver­ bessert oder allein bewirkt werden kann. Der Werkstoff Aluminium ist zur Herstellung der Metallscheiben 2 be­ sonders geeignet, weil er die geforderten Eigenschaften der guten Wärmeleitfähigkeit, der guten Kontaktierung zu den Heizelementen und der guten Bearbeitbarkeit vereint.

Die an beiden Heizkörperenden befindlichen Metallscheiben 21 sind für den elektrischen Anschluß durch eingepreßte oder eingeschraubte Metallbolzen 22 kontaktiert.

Durch Veränderungen der Dicke der Metallscheiben 2 oder durch das Einfügen von mehreren Metallscheiben 2 zwischen den Heiz­ elementen 1/11 kann die Heizleistungsdichte, auch innerhalb eines Heizkörpers, variiert werden.

Der erforderliche Kontaktdruck für die elektrischen Ver­ bindungen zwischen den Metallscheiben 2/21 und den Heizele­ menten 1/11 wird durch eine Druckfeder 4 erzeugt. Die Druck­ feder 4 kann auch, wenn sie nicht stromführend sein soll, zwischen einer Endscheibe 21 und einem Heizkörpermantelboden 31 angeordnet sein. Sie kann als Wellring-, Teller- oder Schrau­ benfeder ausgebildet sein. Bei größeren Heizkörperdurchmessern können auch mehrere Druckfedern, die gleichmäßig auf den an­ nähernden inneren Umfang des Heizkörpers verteilt sind, vor­ teilhaft sein.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung - Fig. 1a - sind die Metallscheiben 2 ringförmig ausgeführt. Anstelle von einem Heizelement pro Metallscheibe sind mindestens drei Heizele­ mente 1 auf der Ringfläche der Metallscheibe 2 gleichmäßig ver­ teilt angeordnet. Die Form der Heizelemente 1 kann rund, vier­ eckig oder der Ringfläche angepaßt sein. Derartige Ausführungs­ formen eignen sich besonders für größere Heizkörperdurchmesser, z. B. für Kalanderwalzen. Der dabei so groß wie möglich zu hal­ tende Lochdurchmeser der Metallscheibe 2 dient ausschließlich zur Reduzierung der Heizkörpermasse.

Fig. 1b zeigt eine rechteckige Metallscheibe 2. Ob ein, meh­ rere oder, wie in Fig. 1b dargestellt, zwei Heizelemente 1 die Rechteckform, z.B. einer Heizleiste, bestimmen, hängt vom Anwendungsfall ab. Nach diesem Prinzip können - zeichnerisch nicht dargestellt - in hohem Maße die Flächenformen der Metall­ scheiben, die die Querschnittsform des Heizkörpers bestimmen, einem speziellen Beheizungszweck angepaßt werden und optimale Lösungen bieten.

Der Heizkörpermantel 3 mit den beiden Bodenscheiben 31 ist aus Isolierstoff hergestellt. Der Werkstoff für den Heiz­ körpermantel 3 muß elektrisch isolierend sein und soll möglichst eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Für die Bodenscheiben 31 besteht die Forderung nach guter Wärme­ leitfähigkeit nicht. Auch ist eine elektrische Isolation nicht unbedingt gefordert, so daß in diesem Fall die Boden­ scheiben 31 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff her­ gestellt sein oder ganz wegfallen können. Fallen dieselben weg, müssen die beiden an den Heizkörperenden befindlichen Metallscheiben 21 mit den eingeschraubten oder eingepreßten Metallbolzen 22 die Funktionen der Bodenscheiben 31 über­ nehmen, indem dieselben mit dem Mantelrohr 3 mechanisch fest verbunden werden.

Die Wahl des Isolierstoffes für den Heizkörpermantel 3 wird von der maximalen Kaltleiterscheiben-Temperatur und dem An­ wendungszweck bestimmt. Bis zu maximal 250°C gibt es Kunst­ stoffe, z. B. PTFE und Silicone. Für höhere Temperaturen sind keramische Werkstoffe mit sehr guten mechanischen Festig­ keiten in allen Temperaturbereichen geeignet. Hiervon wieder ist Keramik aus Aluminium-Oxyd wegen seiner guten Wärmeleit­ fähigkeit, verbunden mit hoher mechanischer Festigkeit, be­ sonders vorteilhaft.

Der Isolierstoff des Heizkörpermantels 3 kann auch mit fester Passung mit einem Metallmantel umgeben werden oder vollstän­ dig aus Metall hergestellt sein, wenn die Innenflächen mit Isolierstoff ausgekleidet sind. Die elektrisch isolierende Auskleidung kann durch Emaillierung, Aufsintern von Keramik oder Beschichten mit einem anderen wärmebeständigen Isolier­ material hergestellt werden.

Fig. 2 stellt den Heizkörper im Schnittbild mit ein­ seitigen elektrischen Anschlüssen dar. Die Metall­ scheiben 2 sind mittig gelocht, wie in Fig. 2a dar­ gestellt. Desgleichen die Kaltleiterscheiben 1. Ein elektrischer Anschlußbolzen 23 ist in der am Blindende des Heizkörpers befindlichen Metallscheibe 21 kontak­ tiert und durch die gesamte Heizkörperlänge bis zur Anschlußseite elektrisch isoliert geführt. Das heraus­ geführte zum elektrischen Anschluß dienende Teil des Anschlußbolzens 23 ist metallisch blank. Eine über den Anschlußbolzen 23 geschobene Druckfeder 4 und eine als Druckfeder-Widerlager aufgeschobene Sperrscheibe 41 erzeugen für alle Glieder des Heizkörpers den erforder­ lichen Kontaktdruck.

Fig. 3 ist die Schnittbilddarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Gedanken hergestellten Heizkörpers zur Beheizung gasförmiger Medien. Der sogenannte Kon­ vektionsheizkörper unterscheidet sich von der Beschrei­ bung nach Fig. 2 nur dadurch, daß kein Heizkörpermantel mit Bodenscheiben vorhanden ist und daß die Metallschei­ ben 2/21 in ihrer Flächenausdehnung stark vergrößert und ab den parallelen Kontaktflächen zu den Heizelementen 1/11 zum Außenrand hin verjüngt sind. Die Flächenform der Metallscheiben 2 kann vielfältig sein, dargestellt in den Fig. 3a und 3b ist je eine kreisförmige und qua­ dratische Flächenform der Metallscheiben 2/21. Um eine Betriebsisolierung des Konvektorheizkörpers zu erhalten, sind die gesamten Oberflächen der Metallscheiben 2/21, die nicht zur elektrischen Kontaktierung untereinander, zu den Kaltleiterscheiben 1 und zur Heißleiterscheibe 11 dienen, mit einem wärmebeständigen Isolierstoff beschich­ tet. Die Isolierschicht kann bei Metallscheiben aus Alu­ minium durch Eloxieren hergestellt oder als eine Metall­ oxydpulveremulsion aufgetragen und anschließend aufge­ sintert werden.

Fig. 4 stellt den Heizkörper im Schnittbild mit elektrisch parallel geschalteten Kaltleiterscheiben 1 dar. In dieser Schaltung erübrigt sich ein Heißleiterelement. Die elektrische Parallelschaltung wird durch zwei gleiche Kontaktierungs­ stifte 25, die durch die Länge des Heizkörpers führen und je­ weils in wechselnder Folge mit den Metallscheiben 2 kontak­ tiert sind, die ihrerseits achssymmetrisch gegenüberliegend je eine Bohrung mit kleinem und größerem Durchmesser haben, wobei die kleinen Bohrungen zur Kontaktierung und die grö­ ßeren Bohrungen zur isolierten Durchführung der Kontaktie­ rungsstifte 25 dienen, vorgenommen. Für den elektrischen Anschluß des Heizkörpers können die Kontaktierungsstifte einseitig oder zweiseitig durch die Bodenscheiben 31 (nicht dargestellt) geführt sein. Für Heizkörper mit rundem Querschnitt - Fig. 4a - ist ein nicht dargestellter Ver­ drehungsschutz zur Vermeidung von Kurzschlüssen innerhalb des Heizkörpers von den Metallscheiben 2 zueinander erforder­ lich. Für rechteckige Heizkörperquerschnitte - Fig. 4b - und andere verdrehungssichere Querschnittsformen erübrigen sich besondere Vorkehrungen.

Claims (8)

1. Elektrischer Heizkörper mit positivem Temperatur- Koeffizienten, bestehend aus mindestens zwei glei­ chen Kaltleiterscheiben (1) aus einer Mischung von Bariumcarbonat, Strontium- und Titanoxyden und an­ deren Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß je­ weils mindestens eine Metallscheibe (2, 21), vor­ zugsweise aus Aluminium, an beiden Enden und zwi­ schen den Kaltleiterscheiben (1) angeordnet ist, die die elektrische Kontaktierung und die Wärme­ leitung von den Kaltleiterscheiben (1) zum Heiz­ körpermantel (3) aus elektrisch isolierendem Material übernimmt, wobei durch die Dicke und/ oder die Anzahl der Metallscheiben (2) zwischen den Kaltleiterscheiben (1) die Heizleistungs­ dichte und durch die Gesamtzahl der Glieder - Kaltleiterscheibe/Metallscheibe(n) - die Gesamt­ heizleistung und der Betriebsspannungsbereich bestimmt wird, durch den Austausch von einer Kalt­ leiterscheibe in eine Heißleiterscheibe (11) aus polykristalliner Mischoxydkeramik ein zerstörend hoher Einschaltstrom vermieden wird und eine Druckfederscheibe (4) in allen Betriebszuständen den erforderlichen Kontaktdruck für alle Glieder des Heizkörpers erzeugt.

2. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiterscheiben (1) und die Metallscheiben (2) zentrisch gelocht sind und durch die Lochungen ein Metallbolzen (23) durchgehend elektrisch isoliert geführt ist, der in einer Endmetallscheibe (21) des Heizkörpers kontaktiert ist und als Rückleiter für den ein­ seitigen elektrischen Anschluß dient, indem er durch die entgegengesetzte Endmetallscheibe (21) isoliert als Anschlußbolzen durchgeführt ist, die ihrerseits für den elektrischen Anschluß (24) außermittig kon­ taktiert ist.

3. Elektrischer Heizkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mecha­ nischen Festigkeit und/oder um engtolerierte Durch­ messerschleifmaße herzustellen das aus isolierendem Material hergestellte Mantelrohr (3) mit Metall um­ mantelt ist.

4. Elektrischer Heizkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (3) aus Metall hergestellt ist, das innenwändig durch Email­ lierung, aufgesinterte Keramik oder ein anderes wärmebeständiges Material gegen die Heizkörperglie­ der elektrisch isoliert ist.

5. Elektrischer Heizkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben (2, 21) zur Wärmeabgabe an gasförmige Stoffe in ihrer Materialstärke flächenmäßig nach ihren Außenrändern hin verjüngend vergrößert sind, wobei die Scheiben­ form rund, quadratisch, rechteckig oder einem spezi­ ellen Anwendungsfall optimal angepaßt ausgeführt sein kann, um einen Konvektor-Heizkörper zu erhalten.

6. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamten Oberflächen der Metallscheiben (2, 21), die nicht zur elektrischen Kontaktierung untereinander, zu den Kaltleiter­ scheiben (1) und zur Heißleiterscheibe (11) dienen, mit einem wärmebeständigen Isolierstoff beschichtet sind, um eine elektrische Betriebsisolierung zu er­ halten.

7. Elektrischer Rohrheizkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige Isolierstoff­ schicht auf den Metallscheiben (2, 21) aus Aluminium durch Eloxieren hergestellt wird oder daß eine Metall­ oxydpulveremulsion durch Spritzen, Tauchen oder Strei­ chen aufgetragen und anschließend aufgesintert wird.

8. Elektrischer Heizkörper nach den Ansprüchen 1, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiter­ scheiben (1) elektrisch parallel geschaltet sind, und dadurch, daß die elektrischen Zuleitungen durch zwei gleiche Kontaktierungsstifte, die durch die Länge des Heizkörpers führen und jeweils in wechselnder Folge mit den Metallscheiben (2) kontaktiert sind, die ihrerseits achssymmetrisch gegenüberliegend je eine Bohrung mit kleinem und größerem Durchmesser haben, wobei die kleinen Bohrungen zur Kontaktierung und die größeren Bohrungen zur isolierten Durchführung der Kontaktierungsstifte die­ nen, erfolgen.