DE3816819A1

DE3816819A1 - Heizvorrichtung mit ptc-elementen

Info

Publication number: DE3816819A1
Application number: DE19883816819
Authority: DE
Inventors: Peter Buesch; Wieland Wolf
Original assignee: Stettner and Co
Priority date: 1988-05-18
Filing date: 1988-05-18
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE3816819C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung mit PTC-Elementen, d.h. keramischen Bauteilen mit einem positiven Temperatur-Koeffizienten, zur Erwär mung fluider Medien, insbesondere von Gas, mit die PTC-Elemente kontaktierenden großflächigen Kühlkörpern.

Ein Vorteil bei der Verwendung von PTC-Elementen ist die Möglichkeit der Abführung großer Wärmeleistungen bei relativ geringen Temperaturen, beispielsweise 100 bis 250°C, so daß glühende Heizwendeln, wie sie bei den meisten üblichen Elektroheizungen verwendet wer den, entfallen können. Derartige glühende Heizwendeln sind nämlich neben der davon ausgehenden Brandgefahr auch zur Erwärmung einer Vielzahl von fluiden Medien, insbesondere von Flüssigkeiten, aber auch von brennba ren Gasen, nicht geeignet.

Das wesentliche Problem bei derartigen PTC-Heizvor richtungen besteht in der Wärmeabfuhr von den relativ kleinflächigen PTC-Elementen, die zu diesem Zweck mit aufgesetzten großflächigen Kühlkörpern versehen sein müssen. Dabei besteht dann eine zusätzliche Schwierig keit darin, daß bei der meist notwendigen Verwendung mehrerer PTC-Elemente, um eine gewünschte Heizleistung zu erzielen, diese nicht nur mit geeigneten Kühlrippen oder Kühlkörpern versehen sein müssen, sondern darüber hinaus auch die Anordnung insgesamt so getroffen wer den muß, daß sich die PTC-Elemente nicht gegenseitig stören, d.h. keine gegenseitige Erwärmung stattfindet, die die Temperatur in Bereiche treibt, in denen der Widerstand bereits wieder zu groß ist, als daß vernünf tige Energiemengen abgegeben werden können.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten ist erfindungsgemäß ein mit einer Vielzahl von im wesentlichen zueinander parallelen Durchströmbohrungen versehener Metallblock aus gut wärmeleitendem Material mit einer vorzugsweise konischen Innenbohrung vorgesehen, in die ein entspre chend geformter, in den Ausmaßen um die Dicke der PTC-Elemente verkleinerter Metallkern unter Verklem mung der PTC-Elemente im Zwischenspalt zwischen ebenen Flächenabschnitten der Bohrung bzw. des Außenmantels des Kerns eingesetzt ist.

Der erfindungsgemäße zweiteilige Metallblock mit zwi schen der Außenfläche des Kerns und der Innenfläche der Bohrung des Blocks verklemmten PTC-Elementen bie tet die Möglichkeit einer optimalen Wärmeabfuhr bei gleichzeitiger Möglichkeit der Anordnung der PTC-Ele mente relativ nah zueinander, da die Hauptwärmeabführ vorrichtung nach innen und außen von den Stirnflächen der plattenförmigen PTC-Elemente weg in die nur durch Durchströmbohrungen unterbrochenen massiven Metallblök ke bzw. den massiven Metallkern erfolgen kann und somit bei nur einigem seitlichen Abstand der PTC-Eleme nte voneinander eine störende gegenseitige Wärmebeein flussung nicht stattfindet.

Im Hinblick auf unvermeidliche Fertigungstoleranzen und die Gefahr, daß bei zylindrischer Ausbildung der Bohrung und des Kerns dann möglicherweise die PTC- Elemente entweder nicht in den Zwischenspalt hineinpas sen oder aber nicht klemmend und damit mit gutem Wärme übergang in ihm sitzen, ist die bereits angesprochene vorzugsweise konische Ausgestaltung der Bohrungen vorgesehen, die mit besonderem Vorteil die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen soll, dessen Eckenzahl der Zahl der verwendeten PCT-Elemente entspricht. Damit ist an jeder Seitenfläche des Pyramidenstumpfes nur ein PTC-Element angeordnet, so daß über die Ecken hinweg eine zusätzliche gute thermische Abschirmung der einzelnen PTC-Elemente gegeneinander gegeben ist. Ein solcher Pyramidenstumpf läßt sich sowohl in Form der Bohrung als auch des Kerns wesentlich leichter herstellen als wenn man einen Kegelstumpf vorsehen wollte, der mit Abflachungen entsprechend der Größe der PTC-Elemente versehen ist, obgleich dies im Endef fekt ebenso möglich ist, wie man beispielsweise ja auch die PTC-Elemente bei der Fertigung theoretisch gewölbt ausbilden könnte, so daß sie tatsächlich auch zwischen konischen Kegelstumpfflächen verklemmt werden könnten.

Die konische Bohrung des Metallblocks soll an ihrem verjüngten Ende mit einem einspringenden Einsteckbe grenzungsrand für die PTC-Elemente versehen sein, so daß bei der Montage bei zunächst noch etwas angehobe nem Metallkern - und damit noch vergrößertem Zwischen spalt - die PTC-Elemente einfach von oben eingesteckt werden können, bis sie am Einsteckbegrenzungsrand anstoßen. Anschließend wird der konische Kern vollstän dig eingedrückt und verklemmt dabei die PTC-Elemente zwischen seinen Außenflächen und den gegenüberliegen den Innenflächen der konischen Bohrung unter Erzielung eines guten thermischen Übergangs, der bevorzugt noch dadurch verbessert werden kann, daß auf die Kontak stirnflächen der PTC-Elemente eine dünne Schicht einer Wärmeleitpaste aufgebracht ist.

Eine solche dünne aufgebrachte Wärmeleitpaste, die die oberste Schicht auf den Stirnflächen der PTC-Elemente bilden soll, stört auch dann nicht, wenn man, wie in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein kann, den Metallblock und seinen Kern gleichzeitig als Stromzuführungen verwendet, indem man die beiden Pole der Stromversorgungsquelle einmal mit dem Metallblock und zum anderen seinem Metallkern verbindet. Durch Versilbern der Stirnflächen der PTC-Elemente ergibt sich durch das Einpressen der konischen Metallblocktei le allein über den Preßdruck eine hervorragende elek trische Verbindung, die auch dann nicht verlorengeht, wenn auf die elektrische Kontaktschicht der PTC-Elemen te, die bei Aluminiumblöcken bevorzugt aus Aluminium besteht, um galvanische Reaktionen zu verhindern, noch eine Wärmeleitpaste aufgebracht ist, die ihrerseits elektrisch nicht leitend ist. Die Schicht ist nämlich so dünn und gelangt infolge der starken Verpressung nur in unvermeidliche Vertiefungen der Kontaktstirnflä che, daß dazwischen genügend Kontaktstellen zwischen der Elektrodenoberfläche der PTC-Elemente und dem Metallblock bzw. dem Metallkern bestehen bleiben, zwischen denen der elektrische Stromübergang nicht durch eine dünne Schicht der Wärmeleitpaste behindert ist. Während nämlich für den elektrischen Stromüber gang ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Gesamt stirnfläche ausreicht, ist es für die Wärmeabfuhr wichtig, daß möglichst die gesamte Oberfläche unbehin dert zum Wärmeübergang zwischen den PTC-Elementen und dem Metallblock bzw. seinem Kern zur Verfügung steht, die als großflächige Kühlkörper wirken.

Zur Erhöhung der Robustheit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, die demzufolge als Heizeinsatz auch unter rauhen Bedingungen eingesetzt werden kann, und gleichzeitig zur weiteren Verminderung der thermischen Beeinflussung benachbarter PTC-Elemente ist gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß der Zwischenspalt zwischen der Bohrung des Metallblocks und seinem Metallkern unter Einbet tung der PTC-Elemente mit einer elektrisch isolieren den, gut wärmeleitenden aushärtenden Vergußmasse ausge füllt ist.

Diese Vergußmasse sollte darüber hinaus gut vergießbar und hitzebeständig, dauerbeständig und nach dem Aushär ten nicht zu elastisch sein, wobei auch die Topfzeit hoch genug liegen sollte, um keine zeitlichen Probleme beim Vergießen mit einer allzu raschen Reaktionszeit zu bekommen.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfin dung, die Durchströmbohrungen des Metallblocks und seines Metallkerns, die beispielsweise aus Aluminium, eloxiertem Aluminium, Kupfer oder Legierungen mit hohen Anteilen dieser Metalle bestehen können, zumin dest im Einströmbereich auf der erweiterten Seite der konischen Bohrung ebenfalls konisch nach außen erwei tert auszubilden. Durch diese Maßnahme wird das Ein strömverhalten des zu erwärmenden fluiden Mediums, insbesondere von zu erwärmenden Gasen, verbessert. Es bedarf dann einer weniger starken Auslegung eines Ventilators zum Durchdrücken der zu erwärmenden Luft durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung. Eine sol che Heizvorrichtung ist ganz hervorragend als Raumhei zung geeignet, da durch die Selbstregulierung der PTC-Elemente - was selbstverständlich eine Auslegung entsprechend den jeweiligen gewünschten Heizleistungen und Außenbedingungen erfordert, so daß insbesondere der Schaltpuntk des PTC′s so bemessen ist, daß die geforderte Luftaustrittstemperatur erreicht wird und keine Übertemperatur auf dem Aluminium oder den ande ren Metallen entstehen kann - absolut sicher verhin dert ist, daß bei irgendwelchen Störungen eine Überhit zung oder gar eine Brandgefahr auftritt, was bei unüberwachten Heizungen in Häusern von besonderer Bedeutung ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs gemäßen Heizvorrichtung vor dem Ausgießen des Zwischenspalts zwischen dem Metallblock und seinem Kern, und

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Die dargestellte Heizvorrichtung umfaßt einen im we sentlichen quaderförmigen Metallblock 1 aus Aluminium, Kupfer oder Legierungen mit hohen Anteilen dieser Metalle, der mit einer großen konischen Bohrung 2 in Form eines achteckigen Pyramidenstumpfes versehen ist, in die ein in seinen Ausmaßen etwas kleiner ausgebilde ter Metallkern 3 einsetzbar ist, wobei nach dem Einset zen (vergl. insbesondere Fig. 2) ein Zwischenspalt 4 bestehen bleibt. In diesem Zwischenspalt werden acht plattenförmige PTC-Elemente 5 zwischen den zueinander parallelen Seitenflächen der konischen Bohrung 2 und den gegenüberstehenden Seitenflächen der pyramiden stumpfförmigen Außenwand des Kerns 3 eingeklemmt, wobei die konische Ausbildung vermeidet, daß etwaige Fertigungstoleranzen zu einem Verlust der Klemmung führen können. Die konische Bohrung 2 ist auf ihrer verjüngten Seite mit einem einspringenden Einsteckbe grenzungsrand 6 versehen, der eine besonders einfache Montage der Anordnung zuläßt, die weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden soll.

Sowohl der Kern 3 als auch der Metallblock 1 sind mit im wesentlichen zueinander sowie zur Achse der Anord nung parallelen Durchtrittsbohrungen 7 für das zu erwärmende fluide Medium versehen. Dabei ergibt sich auf der verjüngten Seite der konischen Bohrung ein von Bohrungen freier Innenrand 8 der entsprechenden Stirn fläche des Metallblocks und auf der gegenüberliegenden erweiterten Seite ein entsprechender von Bohrungen freier Rand 9 des Metallkerns.

Der Einsteckbegrenzungsrand 6 dient bei herausgenomme nem oder zumindest teilweise herausgenommenem Kern dazu, die von oben eingeschobenen PTC-Elemente abzu stützen, so daß sie beim anschließenden Einsetzen des Kerns 3 zwischen den Außenflächen des Kerns und den Innenflächen der Bohrung verklemmt werden, so daß ein guter Wärmekontakt nach innen und außen gegeben ist. Gleichzeitig kann hierdurch auch der elektrische Kon takt hergestellt werden, indem die beiden Pole der Stromquelle über Leitungen 10 und 11 an den Metall block 1 bzw. den Kern 3 angelegt sind. Durch Aufbrin gen einer Versilberungsschicht auf die Kontakt-Stirnf lächen der PTC-Elemente erfolgt durch das bloße Ein pressen des Kerns ein sehr guter elektrischer Kontakt zwischen diesen Elektroden und dem Kern 3 bzw. zwi schen den Gegenelektroden und der Innenbohrungsfläche des Metallblocks 1. Dieser elektrische Kontakt besteht dabei auch dann noch in ausreichendem Maß, wenn zusätz lich auf die Versilberungsschicht eine dünne Schicht einer Wärmeleitpaste aufgebracht ist.

Die Bemessung der konischen Bohrung ist so gewählt, daß die gemittelte Breite B der Seitenflächen der Pyramidenstümpfe größer ist als die Breite b der PTC- Elemente, so daß ein ausreichender Abstand benachbar ter PTC-Elemente gegeben ist, so daß diese sich nicht störend thermisch beeinflussen können. Wie bereits oben ausgeführt, führt nämlich eine derartige störende thermische Beeinflussung benachbarter PTC-Elemente zu einer drastischen Verringerung der möglichen Leistungs abgabe einer aus ihnen gebildeten Heizvorrichtung.

Die thermische Beeinflussung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel noch zusätzlich dadurch verrin gert, daß die zwischen den benachbarten PTC-Elementen 5 liegenden Ecken des Kerns einen Wärmeübergang zusätz lich behindern und daß durch die Vielzahl der Bohrun gen im Metallblock 1 und im Kern 3 eine starke Wärmeab fuhr an das durchströmende fluide Medium stattfinden kann. Das Durchströmen und damit auch die Wärmeabgabe läßt sich dabei weiter dadurch verbessern, daß - vergl. insbesondere Fig. 2 - die Bohrungen 7 zumindest auf der Einströmseite des fluiden Mediums, die durch den Pfeil 12 angedeutet ist, mit einer konischen Erwei terung versehen sind. Bevorzugt wäre eine konische Ausbildung bis zum unteren Ende, was jedoch fertigungs technisch größere Schwierigkeiten bereitet als die konische Ensenkung. Der Konuswinkel der Bohrung, d.h. der Winkel zur Längsachse, beträgt im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel etwa 9°, wobei jedoch durchaus Abwei chungen nach oben und unten möglich sind, da ja die Koniziät nur im Hinblick auf die einfache, auch Tole ranzen abfangende Verklemmbarkeit der PTC-Elemente im Zwischenspalt 4 notwendig ist.

Auch die Ausbildung und Verteilung der Durchströmboh rungen 7 ist für die gewünschte Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung von Bedeutung, da auf diese Weise sichergestellt wird, daß - entspre chend entsteht ja auch die Wärme - die Wärme sowohl nach innen als auch nach außen möglichst gleichmäßig von den PTC-Elementen abgeführt wird. Wegen der Ver knüpfung der abgegebenen Wärmeleistung mit der Tempera tur, bei der die PTC-Elemente arbeiten, muß selbstver ständlich auch in Anpassung an die gewünschte Heizlei stung einschließlich der gewünschten Heiztemperatur die Größe des Metallblocks einschließlich seines Kerns gewählt werden. Bei zu geringem Volumen wird der Ar beitspunkt des PTC in der Kennlinie nach oben verscho ben, wodurch der Widerstand steigt und die aufgenomme ne elektrische Leistung und demzufolge auch die auszu koppelnde Wärmeenergie sinken. Ein zu großes Volumen bewirkt wiederum, daß der Arbeitspunkt des PTC′s sich zwar nur unwesentlich vom Wert R _min wegbewegt, je doch die dabei aufgenommene Leistung nicht ausreicht, um den Block genügend zu erwärmen, was wiederum zu einer Minderleistung führen würde. Der Wert R _min kann nicht unterschritten werden.

Die Heizscheiben sind geläppt, damit die ganze Oberflä che des PTC am Metallblock 1 bzw. seinem Kern 3 an liegt.

Ein Ausführungsbeispiel für die Bemessung einer erfin dungsgemäßen Heizvorrichtung ist:

Mechanische Abmessungen:

Länge = 120 mm
Breite = 120 mm
Dicke = 30 mm

Elektrische Daten:

Betriebsspannung, U _B = 110 VAC
max. Einschaltstrom, E _max 15 A

stat. Leistungsaufn., P _stat. = 1,65 KW
dyn. Leistungsaufn., P _dyn. = 1,5 W
Durchschlagfestigkeit = 23 ± 2 kV/mm
Schaltpkt. der PTC's, ϑ b = 220°C
Widerstand bei 25°C, R₂₅ = 25 Ohm ± 30%

Thermische Daten:

max. Oberflächentemperatur des Aluminiumblockes

ϑ O _max 200°C

Luftaustrittstemperatur bei einem Luftdurchsatz

ϑ _A = 150°C

von 106 cfm.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausfüh rungsbeispiel beschränkt.

Neben der Möglichkeit einer anderen Außenform des Metallblocks sowie einer anderen Ausbildung der Durch strömbohrung könnte selbstverständlich auch die Zahl der verwendeten PTC-Elemente und damit auch die Ecken zahl des pyramidenstumpfförmigen Kerns abweichend gewählt werden. Ein erfindungsgemäßes Element kann ggf. auch in einzelnen Bereichen ohne Bohrungen verse hen sein, beispielsweise im Zentrum des Kerns, falls ein Ventilator zum Durchdrücken der zu erwärmenden Luft vorgesehen ist, da dieser Ventilator ja im Zen trum keine Luftströmung erzeugt und somit Bohrungen im Zentrum des Metallkerns 3 dann unnötig wären. Schließ lich ließe sich auch eine andere elektrische Kontakt ierung vorsehen, indem der Anschluß der Leitungen 10 und 11 in Bereichen erfolgt, in denen die durchströmba re Fläche nicht beeinträchtigt ist, also indem nicht Durchströmbohrungen durch die aufgesetzten Kontakte blockiert sind.

Claims

1. Heizvorrichtung mit PTC-Elementen zur Erwärmung fluider Medien insbesondere von Gasen, mit die PTC-Elemente kontaktierenden großflächigen Kühlkör pern, gekennzeichnet durch einen mit einer Viel zahl von im wesentlichen zueinander parallelen Durchströmbohrungen (7) versehenen Metallblock (1) aus gut wärmeleitendem Material mit einer vorzugs weise konischen Bohrung (2), in die ein entspre chend geformter, in den Ausmaßen um die Dicke der plattenförmigen PTC-Elemente (5) verkleinerter Metallkern (3) unter Verklemmung der PTC-Elemente (5) im Zwischenspalt (4) zwischen ebenen Flächenab schnitten der Bohrung (2) bzw. des Außenmantels des Kerns (3) eingesetzt ist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Metallblock (1) und sein Kern (3) aus Aluminium, eloxiertem Aluminium, Kupfer oder Legierungen mit hohen Anteilen dieser Metalle bestehen.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (2) und der Kern (3) die Form eines Pyramidenstumpfes aufweisen, dessen Eckenzahl der Zahl der verwendeten PTC- Elemente (5) entspricht.

4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Bohrung (2) an ihrem verjüngten Ende mit einem einspringen den Einsteckbegrenzungsrand (6) für die PTC-Eleme nte (5) versehen ist.

5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Pyrami denseitenflächen größer ist als die Breite der PTC-Elemente (5).

6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock (1) und der Metallkern (3) mit unterschiedlichen Polen einer Stromquelle verbunden die Stromzuführungen zu den PTC-Elementen (5) bilden.

7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Aluminiumblöcken die Kontakt- Stirnflächen der PTC-Elemente (5) mit Aluminiumkon taktierungen versehen sind.

8. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt-Stirnf lächen der PTC-Elemente mit einer dünnen Schicht einer Wärmeleitpaste versehen sind.

9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspalt (4) unter Einbettung der PTC-Elemente (5) mit einer elektrisch isoierenden, gut wärmeleitenden, aushär tenden Vergußmasse ausgefüllt ist.

10. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmbohrun gen (7) zumindest im Einströmabschnitt auf der erweiterten Seite der konischen Bohrung (2) ko nisch nach außen erweitert sind.