DE3815306A1 - Elektrisches heizelement mit ptc-element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement mit einer aus mindestens einem PTC-Element und auf diesem beidseitig aufliegenden Kontaktplatten gebildeten Kontakteinheit und mit einem Gehäuse.

Ein derartiges Heizelement ist in der DE-GM 78 38 555 beschrie­ ben. Bei diesem Heizkörper werden flache PTC-Elemente zwischen zwei Kontaktbleche gelegt, mit einer dünnen Folie, vorzugsweise aus Glimmer, abgedeckt, in ein Mantelrohr geschoben und dieses zunächst anschließend beidseitig entstehende freien Flanken weiterhin gepreßt, so daß im Schnitt eine "glockenförmige" Kontur entsteht. Die Brinellhärte für in diesen und üblichen Fällen üblicherweise verwendeten Rohrmaterialien liegt typischer­ weise im Bereich von 22 bis 38.

Nachteilig bei diesem Heizelement ist, daß mit zunehmender Betriebsdauer die Wärmeauskopplung des PTC-Bausteines geringer wird und somit das Heizelement in einen niedrigeren Arbeits­ bereich (Temperaturbereich) abfällt und die Leistung dann nicht mehr ausreicht und der gewünschte Aufheizvorgang nicht mehr vollzogen werden kann. Die Ursache hierfür ist die negative Veränderung der Preßkraft auf den PTC-Baustein, hervorgerufen durch die Eigenart des Werkstoffes aus Aluminium, welcher bei Temperaturbehandlung weich wird und keine Federeigenschaften mehr besitzt.

In der DE-PS 29 48 592 wird ein elektrisches Widerstandsheiz­ element mit mindestens einem zwischen zwei Kontaktplatten ange­ ordneten PTC-Element beschrieben, wobei diese Kontakteinheit in eine Hülse aus elektrisch isolierendem, wärmeleitfähigem elastomerem Material, derart eingeschoben wird, daß durch die Hülse in der Ebene zu den Kontaktblechen eine senkrechte Pres­ sung vorhanden ist, die durch die Eigenelastizität der Hülse gegeben ist.

Durch diese Anordnung wird zwar für den zum damaligen Zeitpunkt vorhandenen Stand der Technik ein sehr hoher Wärmeauskopplungs­ grad erreicht und eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung in verschiedenen elektrischen Gebrauchsgeräten damit gewährleistet. Die weiteren Entwicklungen von PTC-Elementen mit größeren elek­ trischen, insbesondere spezifischen Leistungen erfordern Weiter­ entwicklungen zur verbesserten Auskopplung der durch die PTC- Elemente zur Verfügung gestellten, höheren Wärmeleistung und deren wirksame Zuführung. Nur durch eine optimale Auskopplung der zugeführten Leistung kann der PTC-Baustein in der für ihn charakteristischen Arbeits- und Leistungs-Kurve betrieben wer­ den. Aus diesen vorgenannten Gründen sind auch die Ausführungs­ beispiele für ein selbstregelndes Heizelement, wie in der DE-AS 26 41 894 beschrieben, für die nach heutigem Stand der Technik hergestellten PTC-Bausteine nicht mehr relevant. Bei dem dortigen Heizelement bestehen die Widerstandskörper aus keramischem PTC-Material, zentrisch innerhalb eines Gehäuses aus einem elektrisch isolierenden, vulkanisierten Kunststoff, dem eine elektrische isolierende und wärmeleitende Metallver­ bindung beigemengt wurde. Der Innenraum zwischen den PTC-Ele­ menten und der Hülse wird mit einem vulkanisierendem Kunststoff ausgefüllt, dem ebenfalls eine elektrisch isolierende und wärme­ leitende Metallverbindung, vorzugsweise Magnesiumoxyd, beige­ mengt wird.

Durch die mangelnde Möglichkeit der Wärmeabfuhr aus dem PTC- Element ergibt sich bei dem beanspruchten und beschriebenen Erfindungsgegenstand eine relative Auskopplung der Wärmeener­ gie aus dem PTC-Element. Die hier zugeführte elektrische Ener­ gie wird, bedingt durch den schlechten Auskopplungs-Wirkungs­ grad, nur unzureichend dem zu beheizenden Medium zugeführt.

Weitere wärmeaustauschende Kontaktierungen innerhalb von Hül­ sen, werden in der DE-OS 26 14 433 beschrieben, wobei hier metallene Federn an der Innenwand des vorgeformten, mehrschich­ tigen Gehäuses anliegen und somit zur Ebene der Kontaktflächen an den PTC-Bausteinen eine senkrechte Pressung erfolgt.

All diese bekannten Ausführungsformen haben den Nachteil der ungünstigen Auskopplung der zugeführten elektrischen Energie an das zu beheizende Medium. Für die, nach dem derzeitigen Entwicklungsstand hergestellten PTC-Bausteine durch die bis­ herigen bekannten Konstruktionen für die Auskopplung der zuge­ führten Energie sind spezifische Leistungsgrößen von ca. 8 W/ qcm möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Heizelement mit positivem elektrischem Widerstand zu schaffen, welches ein Mehrfaches (3 bis 4fache) der bisher möglichen Leistungsgröße abgibt und somit einen größeren Anwendungsbe­ reich erschließt.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem elektrischen Heizelement mit PTC-Element der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kontaktplatten und das Gehäuse eine Brinellhärte von 80 bis 100 aufweisen, daß in unverpreßtem Zustand des Heiz­ elements die Kontaktplatten gekrümmt sind und mit ihrer konvexen Seite auf den PTC-Elementen aufliegen, daß das Gehäuse aus form­ stabilem Leichtmetall besteht und in unverpreßtem Zustand eine der Kontaktanordnung konvex zugewandte Innenwandung mit einem endlichen Krümmungsradius aufweist, der größer ist als der Krümmungsradius der Kontaktplatten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die PTC-Bau­ steine zwischen zwei kreissegmentartig nach außen gebogenen Anschlußblechen, die größer sind als die Kontaktflächen der PTC-Bausteine und in einer Maske aus elektrisch isolierendem Material, wie einer Glimmer-Platte mit Ausnehmungen oder einer formstabilen Platte aus mit Bindemittel gebundenen, zerkleiner­ ten Glimmern (Warenzeichen Multimica), festgelegt sind, gelegt. An den Anschlußblechen sind Ausnehmungen zum Anschluß der An­ schlußdrähte vorgesehen. Diese Kontaktanordnung mit in der Maske fixierten PTC-Bausteine und im Schnitt kreisbogenförmig gekrümmten Kontaktplatten, wird in einer im Schnitt elliptische Hülse aus Polyimid-Folie (Kapton) eingesteckt und als solches Paket wiederum in das Leichtmetallgehäuse aus einem rechteck­ förmigen Strangpreßprofil reibungsfrei eingeschoben - d.h. ohne Klemmung - und mechanisch verpreßt.

Die Längsseiten des Gehäuses aus rechteckförmigem Strangpreß­ profil, sind nach innen konvex gewölbt, wobei diese Wölbung einen größeren Radius r 1 als der Radius r 2 der Kontaktbleche aufweist. Bei der anschließenden mechanischen Verpressung wird eine Federspannung aufgebaut, welche als Preßkraft an den Kon­ taktflächen der PTC-Elemente ansteht, die auch bei Erwärmung des Heizelementes und längerem Gebrauch nicht nachläßt. Bei Dauerversuchen über 1500 Betriebsstunden wurde gegenüber be­ kannten Heizelementen kein Nachlassen der Preßkraft festge­ stellt. Die Schmalseite der Hülsen aus rechteckförmigem, strang­ gepreßtem Aluminium-Metall sind in der Mitte ballig, vorzugs­ weise tonnenförmig ausgebildet, so daß hier durch die mecha­ nische Verformung (Verpressung) der gegeneinander liegenden Aluminium-Metallflächen mit den unterschiedlichen Radien, nach außen auftretende Federkräfte, ein Widerlager eingesetzt wird, welches groß genug ist, die herrschende permanente Druckspannung auf den PTC-Baustein zu gewährleisten. Die Brinellhärte des verwendeten Materials liegt zwischen 80 und 100. Als Material für die Kontaktbleche und das Aluminium-Strangpreßprofil wird vorzugsweise Al Mg Si1-Legierung (Zusammensetzung 0,6-1,2; Si 0, 75-1,3; Mn 0,4-1,0; Cr 0-0,3; Rest Al) verwendet. Äußerst bevor­ zugt wird Al Mg Si1 F 31 mit der Werkstoff-Nr. 32315.71-32318.72 verwendet.

Das genannte Aluminium-Material gewährleistet bei der Ausge­ staltung, der sich mit der Außenseite des Kontaktbleches und der Innenseite der Hülse gegenüberliegenden Anordnung und der Ausbildung der tonnenförmigen Schmalseiten der rechteckförmigen Hülse, einen progressiven und permanenten Federdruck auf die zwischen den Kontaktblechen liegenden PTC-Bauelemente, so daß eine 3- bis 4fache höhere Leistung - also 35 bis 40 W/qcm - gegenüber den bekannten und vorher beschriebenen Einbauarten (ca. 8 W/qcm) konstant und über längere Zeiträume erzielt wird.

Hierbei ist folgendes zu beachten: Die Leistungsfähigkeit von PTC-Elementen hängt im Gegensatz zu üblichen Heizelementen von der Qualität der Wärmeabfuhr ab. Und zwar bestimmt sich der Widerstand und damit die Leistung eines PTC-Elements durch die innere Temperatur des PTC-Elements, die als solche nicht oder nur schwierig gemessen werden kann. Nach der DIN-Norm wird die Oberflächentemperatur auf der Oberfläche der Kontakt­ anordnung, also der Rückseite der Kontaktelemente gemessen. Bei einer schlechten Wärmeauskopplung werden hier bei statio­ närer Leistungsabfuhr wesentlich geringere Temperaturen ge­ messen, als bei einer guten oder optimalen Wärmeauskopplung (wobei in beiden Fällen die Temperatur im Inneren des PTC-Ele­ ments notwendigerweise die gleiche ist). Bei einer guten Wärme­ auskopplung werden höhere Temperaturen nach DIN-Norm erreicht und eine überproportional höhere Leistung. Nachdem nun gegenüber früheren PTC-Elementen solche mit einer 3- bis 4fachen höheren Leistung zur Verfügung gestellt werden, muß diese auch ausge­ koppelt werden, was bei den bisherigen beschriebenen Heizele­ menten nicht der Fall war. Diese können diese höhere Leistung nicht ausnutzen. Insbesondere liegt dies einerseits an einem Nachlassen des Anpreßdrucks aus schon genannten Gründen, aber auch an der Alterung der elastischen Kunststoffhüllen sowie deren Nichtbeständigkeit, insbesondere bei den angestrebten noch höheren Temperaturen an der Kontaktanordnung.

Ein derart hergestelltes Heizelement, welches vornehmlich zur Beheizung von Flüssigkeiten, wie Wasser, dient, kann ebenso aus einem beidseitig offenen Strangpreßteil, wobei dann die beiden offenen Kanten wasserdicht mit Harz vergossen werden, oder aber aus einer Hülse mit einem einseitig angeordneten Boden, hergestellt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, der ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:.

Fig. 1 das erfindungsgemäße Heizelement in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt 2-2 durch eine Einheit zur Weiterverarbeitung zu einem Heizelement vor Verpressung;

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 nach Verpressung als fertiges Heizelement und

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 3 nach Auf­ schneiden eines verpreßten Elements im Kanten­ bereich.

Das in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Heizelement 1 weist eine Hülse 2 aus strangepreßter Aluminiumlegierung auf mit der Werkstoff-Nr. 32 315.71-32 318.72, bei dem die zunächst offe­ nen Seiten 3 und 4 abgedichtet bzw. verschlossen sind, und aus dem einseitig die Anschlüsse 5 und 6 austreten. Die im äußeren Längsrand der Kontaktbleche 12, 13 dargestellten Nuten 21, 22 dienen zur Aufnahme der elektrischen Anschlüsse 5 und 6 (Fig. 2).

Ein erfindungsgemäßes elektrisches Heizelement wird insbesondere dadurch hergestellt, daß die Kontaktanordnung mit konvex den PTC-Elementen zugewandten Kontaktplatten (12, 13) in eine die Querschnittsabmessung der Kontaktanordnung übertreffende Öff­ nung eines Gehäuses aus Leichtmetall mit konvex nach innen gewölbten Innenwandungen eingeschoben und anschließend Gehäuse (2) und Kontaktplatten (12, 13) verpreßt werden.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Einheit 1 a zur Weiterverarbeitung zu einem Heizelement 1. Es weist eine Kon­ takteinheit A am PTC-Widerstandselement 14, die diese einrahmen­ de Maske 15 und Kontaktplatten 12, 13 auf. Die Kontakteinheit A ist unter Zwischenlage einer isolierenden Umhüllung 16 in das Gehäuse 2 eingesetzt. Das im wesentlichen rechteckige Ge­ häuse 2 ist an den Schmalseiten 8, 9 im Schnitt tonnenförmig ausgebildet. Die beiden Längsseiten 10, 11 sind mit dem Radius r 1 nach innen gewölbt, also mit ihren konvexen Seiten der Kon­ takteinheit A zugewandt. Das zwischen beiden Kontaktplatten 12, 13 eingelegte PTC-Element ist zur Festlegung gegen Ver­ schieben in eine Maske 15 aus elektrisch isolierendem Material wie Glimmer oder harzgebundenen Glimmerfasern (Multimica) ge­ legt. Die Kontaktplatten 12, 13 bestehen aus dem gleichen Ma­ terial wie das Gehäuse. Die Stärke der Maske 15 ist kleiner als die des PTC-Elements 14. Die Kontakteinheit mit den Kontakt­ platten 12, 13, dem PTC-Element 14 und der Maske 15 ist mit einer Umhüllung 16 aus elektrisch isolierendem Material, thermo­ stabiler Polyimidfolie, unter dem Namen "Kapton" im Handel erhältlich, umgeben. Die durch die Umhüllung 16 aus elektrisch isolierendem Material zusammengehaltene Kontakteinheit aus den Kontaktplatten 12, 13 mit den dazwischen in der Maske 15 einliegenden PTC-Widerstandskörpern 14, läßt sich bei der Her­ stellung relativ einfach in die Aluminium-Hülse 2 einschieben.

Die Kontaktplatten 12, 13 sind unter einem Radius r 2 nach außen gegen die Innenseiten 17, 18 der rechteckförmigen Aluminium- Gehäuse 2 des Heizelementes 1, gebogen - also mit ihrer kon­ kaven Seite zu der benachbaren Gehäusewandung gerichtet -. Der Radius r 2 ist kleiner als der Radius r 1 der beiden nach innen gebogenen Längsseiten 10 und 11 des Gehäuses. Nach dem Einbau der mit der elektrisch isolierenden Umhüllung 16 ver­ sehenen Kontakteinheit A, wird durch Verpressen des Aluminium- Gehäuses 2 und Verformung der Längsseiten 10, 11 des Aluminium- Gehäuses 2 und der Kontaktbleche 12, 13 gegenüber der unbelas­ teten, entspannten, durch die genannten Radien r 1 der Gehäuse­ wandungen 10, 11 und r 2 der Kontaktplatten 12, 13 eine dauer­ hafte Federkraft aufgebaut, welche aufgrund der Verwendung der relativ harten Aluminiumlegierungen für die rechteckförmige Hülse 2 und die Kontaktbleche 12, 13 konstant bleibt und somit eine optimale Auskopplung der über die elektrischen Anschlüsse 5 und 6 zugeführten Energie gewährleistet.

Die beiden, vorzugsweise tonnenförmig ausgebildeten Schmalsei­ ten 8 und 9 bilden nach Verformung Widerlager der nach außen gerichteten Federkraft der Kontaktplatten 12, 13. Bei Langzeit­ versuchen mit diesem erfindungsgemäßen Heizelement 1 wurde festgestellt, daß durch tonnenförmig ausgebildete Schmalseiten 8, 9 die auftretenden, senkrecht nach oben und außen gerichteten Federkräfte wesentlich besser aufgenommen werden können als bei umlaufenden und gleichbleibenden Querschnitten der Schmalseiten 8, 9 des Aluminiumgehäuses, so daß optimale Konstanz der Wärme­ auskopplung und damit die Beibehaltung des Wirkungsgrades we­ sentlich länger gegeben ist. Die Ausgestaltung der Schmalseiten 8 und 9, wie in der Fig. 2 dargestellt, ist nicht die einzig mögliche Ausgestaltung. Die notwendige Erhöhung der Querschnitts­ fläche 1 zur Bildung eines hinreichend festen Widerlagers zur Aufnahme der Federkräfte, kann auch durch andere Quer­ schnittsformen, wie Rautenformen, Kreisformen usw. erreicht werden. Weitere Versuche mit dem Heizelement 1 haben ergeben, daß eine optimale, höchst konstante, einheitliche und gleich­ mäßige Verpressung der Schmalseiten dann gewährleistet ist, wenn die Übergänge 19, 20 von den Längsseiten 10, 11 zu den Schmal­ seiten 8, 9 in den jeweiligen Ecken 19, 20 Einschnürungen auf­ weisen.

Die Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Heizelement im fertig verpreßten Zustand. Es ist erkennbar, daß beim Verpressen ins­ besondere die Höhe der Außenabmessungen im Bereich der Schmal­ seiten 8, 9 reduziert und dabei die Balligkeit oder Tonnenform der Schmalseiten 8, 9 vergrößert werden. Die balligen Schmal­ seiten 8, 9 werden beim Verpressen plastisch entgegen der Feder­ wirkung der Kontaktfläche 12, 13 und nehmen nach dem Verpressen deren Kräfte als Widerlager auf. Dies zeigt sich an der Dar­ stellung der Fig. 4. Schneidet man nämlich den Mantel des erfindungsgemäßen Heizelements in einem Kantenbereich, bei 26, auf, so federt die entsprechende Wandung 11 in der darge­ stellten Weise unter Einwirkung der bei der Fig. 3 unter Spannung stehenden Kontaktfläche 12, 13 auf. Die erfindungsge­ mäßte Anordnung behält also bei Aufschneiden im Kantenbereich 26 nicht ihre Querschnittsform bei. Dies zeigt, daß in der fertigen verpreßten Form (nach Fig. 3) die Kontaktfläche mit erheblicher Kraft gegen die PTC-Elemente 14 gedrückt werden, wodurch die Leistungsauskopplung wesentlich vergrößert und verbessert wird. Im übrigen zeigt die Fig. 3, daß die Ver­ pressung derart erfolgen kann, daß die beiden Längsseiten 11, 10 praktisch eben ausgebildet sind, so daß die weitere Abgabe der Wärme über diese ebenfalls gut durchgeführt werden kann.

Claims (10)

1. Elektrisches Heizelement mit einer aus mindestens einem PTC-Element und auf diesem beidseitig aufliegen­ den Kontaktplatten gebildeten Kontakteinheit und mit einem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ platten (12, 13) und das Gehäuse (2) eine Brinellhärte von 80 bis 100 aufweisen, daß in unverpreßtem Zustand des Heizelements die Kontaktplatten (12, 13) gekrümmt sind und mit ihrer konvexen Seite auf den PTC-Elementen (14) aufliegen, daß das Gehäuse (2) aus formstabilem Leichtmetall besteht und in unverpreßtem Zustand eine der Kontaktanordnung (12, 13, 14) konvex zugewandte Innenwandung (17, 18) mit einem endlichen Krümmungsradius (r 1) aufweist, der größer ist als der Krümmungsradius (r 2) der Kontaktplatten (12, 13).

2. Heizelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Herstellung unter Verpressung von Gehäuse (2) und gekrümmten Kontaktplatten (12, 13).

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktplatten (12, 13) nach Ver­ pressung unter elastischer Spannung stehen.

4. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Strangpreß­ profilgehäuse ist.

5. Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Gehäuse einseitig verschließende Stirn­ seite einstückig mit dem Restgehäuse ausgebildet ist.

6. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktplatten (12, 13) und/oder Gehäuse (2) aus AlMgSi1 bestehen.

7. Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktplatten (12, 13) und/oder Gehäuse (2) aus AlMgSi1 F31 bestehen.

8. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseiten (8, 9) des Gehäuses (2) einen konvexen Querschnitt aufweisen.

9. Heizelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseiten (8, 9) im Schnitt ballig ausge­ bildet sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizele­ ments, wobei eine Kontaktanordnung aus mindestens einem PTC-Element und auf diesem beidseitig aufliegen­ den Kontaktplatten in ein Gehäuse eingeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung mit konvex den PTC-Elementen zugewandten Kontaktplatten in eine die Querschnittsabmessung der Kontaktanordnung übertreffende Öffnung eines Gehäuses aus Leichtmetall mit konvex nach innen gewölbten Innenwandungen einge­ schoben und anschließend Gehäuse (2) und Kontaktplatten (12, 13) verpreßt werden.