DE3730195C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizkörper mit
einem Stapel aus mehreren, gleichen, elektrischen in
Reihe geschalteten PTC-Kaltleiterscheiben, wobei
zwischen zwei benachbarten Kaltleiterscheiben und an
beiden Enden Metallscheiben angeordnet sind, die die
elektrische Kontaktierung übernehmen, und mit einer
Druckfeder, die den erforderlichen Kontaktdruck für alle
Scheiben erzeugt.
Der aus der deutschen Auslegeschrift 25 51 980 bekannte
Rohrheizkörper hat den Nachteil einer konstruktiv
relativ komplizierten Kontaktierung der Metallscheiben
mit den Anschlußleitern, welche an bestimmten über ihre
Länge verteilten Stellen von der Isolation befreit
werden müssen. Die Montage eines derartigen Heizkörpers
gestaltet sich daher aufwendig und kostentreibend.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 16 076 ist ein
Heizkörper mit ferroelektrischem Keramik-Heizelement
bekannt, bei dem ein Kaltleiter mit zugehörigen
Kontaktplatten zwischen in das Innere sich konisch
verjüngenden Rippen eingeklemmt ist. Eine verbesserte
Wärmeabstrahlung über die Außenfläche der Rippen wird
daher mit einem erheblichen Montageaufwand erkauft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter
Verwendung marktbewährter PTC-Kaltleiterscheiben einen
elektrischen Heizkörper für den niederen
Temperaturbereich bis etwa 300°C mit kleinen bis
mittleren spezifischen Oberflächenheizleistungen zu
schaffen, der sich leicht montieren läßt und es auch
ermöglicht, über seine Länge unterschiedliche
Heizleistungsdichten zu erzielen.
Dazu ist bei dem eingangs genannten elektrischen
Heizkörper erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Metallscheiben, die Kaltleiterscheiben sowie eine
Heißleiterscheibe mittig gelocht sind, wobei ein
elektrischer Anschlußbolzen sich durch die Löcher
elektrisch isoliert erstreckt und mit einer
Endmetallscheibe elektrisch kontaktiert ist und die
gegenüberliegende Endmetallscheibe außermittig
elektrisch kontaktiert ist, und daß die Metallscheiben
außerhalb der parallelen Kontaktflächen mit den
Kaltleiterscheiben und der Heißleiterscheibe in ihrer
Flächenausdehnung nach den Außenrändern hin verjüngend
vergrößert sind. Damit wird ein einfacher und dennoch
sehr leistungsfähiger Konvektions-Heizkörper geschaffen,
der zur Erwärmung strömungsfähiger Medien geeignet ist.
Ausgehend von einem elektrischen Heizkörper mit einem
Stapel aus mehreren, gleichen, elektrisch parallel
geschalteten PTC-Kaltleiterscheiben, wobei zwischen zwei
benachbarten Kaltleiterscheiben und an beiden Enden
Metallscheiben angeordnet sind und der Stapel von einem
Schutzmantel umgeben ist, gelingt die genannte Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch, daß die elektrischen
Zuleitungen zwei gleiche Kontaktierungsstifte aufweisen,
die durch die Länge des Heizkörpers führen und jeweils
in welchselnder Folge mit den durch eine Feder
vorgespannten Metallscheiben kontaktiert sind, die
ihrerseits achssymmetrisch gegenüberliegend je eine
Bohrung mit kleinerem und größerem Durchmesser haben,
wobei die kleineren Bohrungen zur Kontaktierung und die
größeren Bohrungen zur elektrisch isolierten
Durchführung der Kontaktierungsstifte dienen. Die
Kontaktierung zwischen den Metallscheiben und den
Kontaktierungsstiften kann dabei durch zwischengelegte
Wellfedern unterstützt werden.
Es empfiehlt sich, die äußeren Oberflächen der
vergrößerten Metallscheiben mit einem wärmebeständigen,
elektrisch isolierenden Material als Berührungsschutz zu
beschichten. Diese Isolierstoffschicht kann vorzugsweise
auf die Metallscheiben durch Eloxieren oder dadurch
hergestellt werden, daß eine Metalloxidpulveremulsion
durch Spritzen, Tauchen oder Streichen aufgetragen und
anschließend aufgesintert wird.
Die Matallscheiben können kreisförmig oder rechteckig
sein.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung kann die
Heizleistung über die Länge des Heizkörpers dadurch
verändert werden, daß zwischen zwei benachbarten
Kaltleiterscheiben mehrere Metallscheiben angeordnet
sind oder daß die Dicke der einzelnen Metallscheiben
unterschiedlich gemacht wird.
Ausführungsbeispiele eines Heizkörpers werden
nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 im einzelnen
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 (7)
1. Elektrischer Heizkörper mit einem Stapel aus
mehreren, gleichen, elektrisch in Reihe geschalteten
PTC-Kaltleiterscheiben (1), wobei zwischen zwei
benachbarten Kaltleiterscheiben und an beiden Enden
Metallscheiben (2, 21) angeordnet sind, die die
elektrische Kontaktierung übernehmen und mit einer
Druckfeder (4), die den erforderlichen Kontaktdruck
für alle Scheiben erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallscheiben (2), die Kaltleiterscheiben
(1) sowie eine Heißleiterscheibe (11) mittig gelocht
sind, wobei ein elektrischer Anschlußbolzen (23) sich
durch die Löcher elektrisch isoliert erstreckt und
mit einer End-Metallscheibe (21) elektrisch
kontaktiert ist und die gegenüberliegende
End-Metallscheibe (21′) außermittig elektrisch
kontaktiert ist (24); und daß die Metallscheiben (2,
21) außerhalb der parallelen Kontaktflächen mit den
Kaltleiterscheiben (1) und der Heißleiterscheibe (11)
in ihrer Flächenausdehnung nach den Außenrändern hin
verjüngend vergrößert sind.
2. Elektrischer Heizkörper mit einem Stapel aus
mehreren, gleichen, elektrisch parallel geschalteten
PTC-Kaltleiterscheiben (1), wobei zwischen zwei
benachbarten Kaltleiterscheiben und an beiden Enden
Metallscheiben (2, 21) angeordnet sind und der Stapel
von einem Schutzmantel umgeben ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen zwei
gleiche Kontaktierungsstifte (25) aufweisen, die
durch die Länge des Heizkörpers führen und jeweils in
wechselnder Folge mit den durch eine Feder (4)
vorgespannten Metallscheiben (2) kontaktiert sind,
die ihrerseits achssymmetrisch gegenüberliegend je
eine Bohrung mit kleinerem und größerem Durchmesser
haben, wobei die kleineren Bohrungen zur
Kontaktierung und die größeren Bohrungen zur
elektrisch isolierten Durchführung der
Kontaktierungsstifte dienen.
3. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die äußeren Oberflächen mit einem
wärmebeständigen, elektrisch isolierenden Material
beschichtet sind.
4. Elektrischer Heizkörper nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die wärmebeständige
Isolierstoffschicht auf den Metallscheiben (2, 21)
durch Eloxieren hergestellt ist oder, daß eine
Metalloxydpulveremulsion durch Spritzen, Tauchen oder
Streichen aufgetragen und anschließend aufgesintert
ist.
5. Elektrischer Heizkörper nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallscheiben kreisförmig oder rechteckig sind.
6. Elektrischer Heizkörper nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei
benachbarten Kaltleiterscheiben (1) mehrere
Metallscheiben (2) angeordnet sind.
7. Elektrischer Heizkörper nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der
einzelnen Metallscheiben (2) unterschiedlich ist.
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