DE3820918A1 - Heizvorrichtung mit wenigstens zwei einzelnen ptc-heizelementen und selbstregelnder temperaturstabilisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung mit wenigstens zwei einzelnen PTC-Heizelementen und selbstregelnder Temperaturstabi­ lisierung, insbesondere bei schwankender Betriebsspannung, wobei die beiden PTC-Heizelemente elektrisch und wärmeleitend mitein­ ander verbunden sind.

PTC-Heizelemente sind Widerstände aus dotierter polykristalliner Titanat-Keramik mit Perowskitstruktur (Kaltleiter), die in einem bestimmten Temperaturbereich einen sehr hohen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die sprunghafte Widerstandsänderung in diesem Bereich kann mehrere Größenordnun­ gen betragen. Dieses eigentümliche Verhalten der keramischen Kaltleiter wird in vielen Anwendungen mittelbar oder unmittel­ bar ausgenutzt. Beispielsweise registriert der Kaltleiter beim Einsatz als Überlastschutz die Stromstärke und begrenzt sie bei zu starkem Absinken des Verbraucherwiderstands auf einen unge­ fährlichen Wert.

Eine andere bekannte Anwendung von Kaltleitern sind selbstre­ gelnde Heizelemente. Belastet man einen Kaltleiter mit Strom und Spannung derart, daß er durch Eigenerwärmung (Joulesche Wärme) eine größere Temperatur als die ferroelektrische Curie- Temperatur annimmt, so stellt sich ein thermischer Gleichge­ wichtszustand zwischen Eigenerwärmung und Abgabe von Wärme an die Umgebung ein. Aufgrund seines positiven Temperaturkoeffi­ zienten erhöht der Kaltleiter bei fallender Temperatur seine Leistungsaufnahme, bei steigender Temperatur setzt er sie herab. Diese Thermostatenwirkung wird zur Temperaturstabilisierung aus­ genutzt.

Es ist auch bekannt und wird z.B. in dem Buch von Heywang, "Amorphe und polykristalline Halbleiter", 1984, S.164-200, erwähnt, daß ein besonderer Vorteil derartiger Heizelemente darin besteht, daß Schwankungen der Betriebsspannung weitgehend ausgeregelt werden. Dies kann aus dem bekannten Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie von Kaltleitern verstanden werden, deren abfallender Ast annähernd einer Kurve konstanter Leistung entspricht. Bei Erhöhung der Betriebsspannung nimmt der Kalt­ leiter zunächst entsprechend mehr Leistung auf, erhöht aber dabei seine Temperatur und regelt dadurch den Strom entspre­ chend herab. Da der Widerstand des Kaltleiters implizit von Temperatur und Spannung abhängt, gilt der lineare Zusammenhang des ohmschen Gesetzes nicht mehr. Die Leistung (und damit die Temperatur) im betrachteten Spannungsbereich ist infolgedessen nicht dem Quadrat der Spannung proportional, sondern geht mit einer sehr viel kleineren Potenz, für die man etwa den Expo­ nenten 0,1 ansetzen kann.

Es gibt aber auch Anwendungen für Heizkaltleiter, bei denen die geschilderte weitgehende Temperaturkonstanz nicht ausreichend, bzw. deren geringe Spannungsabhängigkeit noch zu groß ist. Dies kann beispielsweise bei Laborheizungen im Zusammenhang mit be­ stimmten (bio-)chemischen Reaktionen, oder aber bei Heizanwen­ dungen, wo unterschiedliche Spannungen zur Verfügung stehen, aber nur geringe Temperaturänderungen erwünscht sind, der Fall sein. Die gewünschte Temperaturkonstanz läßt sich mit konventio­ nellen Heizkaltleitern nicht erreichen, da die Oberflächentempe­ ratur der Kaltleiter im Bereich der Betriebsspannung für solche Anwendungen zu stark spannungsabhängig ist. Insbesondere für nichthochohmige Kaltleiter erreicht der Spannungskoeffizient der Temperatur Werte in der Größenordnung von 1°C/V. Bei derart großen Spannungskoeffizienten besteht, ganz abgesehen von der mangelnden Temperaturkonstanz, bei ungewollten Spannungserhöhun­ gen sogar die Gefahr einer Überhitzung des Kaltleiters bzw. sei­ ner Umhüllung.

Bekanntlich können die vorteilhaften Regelungseigenschaften von Kaltleitern noch verbessert werden, wenn wenigstens zwei Kalt­ leiter in bestimmter Weise kombiniert werden, insbesondere durch thermische und elektrische Kopplung. Beispielsweise wird in der DE-C-21 07 365 eine Kaltleiterkombination für die Ent­ magnetisierung von Farbfernsehgeräten beschrieben, bei der zwei Kaltleiter mit unterschiedlichem Volumen und/oder unterschied­ licher Nenntemperatur durch eine großflächige Mittelelektrode in Serie geschaltet und thermisch enggekoppelt sind. Die Auf­ gabe des Kaltleiters in Entmagnetisierungsschaltungen besteht darin, einen Wechselstrom, der durch eine Entmagnetisierungs­ spule fließt, allmählich abklingen zu lassen. In Fig. 4 der ge­ nannten Patentschrift kann man die spezielle Art des Zusammen­ wirkens der beiden gekoppelten Kaltleiter erkennen. Die Strom­ kurve beginnt mit einem steilen Abfall, der durch das allmäh­ liche Aufheizen des Kaltleiters mit der höheren Nenntemperatur in den Bereich steilen Widerstandsanstiegs hinein zustande kommt. Das sich anschließende Plateau zeigt eine Situation, in der der erste Kaltleiter seine Nenntemperatur überschritten hat und nun bei im wesentlichen konstantem Widerstand beginnt, den zweiten Kaltleiter aufzuheizen. Sobald dieser sein Widerstands­ minimum erreicht hat, bewirkt die weitere Erwärmung einen er­ neuten steilen Stromabfall. In diesem besonderen Anwendungsfall wird durch die Verwendung eines zweiten Kaltleiterelements eine zusätzliche Stromreduzierung um eine bis zwei Zehnerpotenzen und somit eine Verstärkung der gewünschten Regelungseigenschaft er­ reicht. Das Problem der Temperaturkonstanz bleibt dabei jedoch unberührt.

Es sind auch schon Kombinationen von zwei thermisch gekoppelten Kaltleitern bekannt und in der DE-C-32 07 015 beschrieben, bei denen mittels zweier Kaltleiter, die unterschiedliche Curie-Tem­ peraturen und eine gleiche Temperatur des maximalen Widerstandes aufweisen, drei verschiedene Temperaturstufen eingestellt werden können. Die Konstanz auf jeder dieser drei Stufen bleibt aber innerhalb der bisher bei Heizkaltleiter-Anwendungen üblichen Werte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herstellbare Heizvorrichtung der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, daß mit zwei PTC-Heizelementen eine kon­ stante Temperatur wesentlich genauer als bisher eingestellt und realisiert werden kann und zwar über einen Spannungsbe­ reich, der sich je nach Charakteristika der Heizelemente auf bis zu 100 V erstrecken kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Heizvorrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die beiden Heizelemente eine unterschiedliche Nenntemperatur aufweisen,
• b) in Serie hintereinander geschaltet sind,
• c) ohne Zwischenschaltung einer Elektrode durch unmittelbare Verbindung im Bereich des gemeinsamen Querschnitts thermisch sehr eng gekoppelt sind und
• d) eine Differenz der Nenntemperaturen aufweisen, die so klein ist, daß der Kaltleiter mit der höheren Nenntemperatur hoch­ ohmig wird, bevor der andere Kaltleiter sein Widerstandsma­ ximum erreicht hat.

Durch die Erfindung wird die hier zugrunde liegende Aufgabe in befriedigender Weise gelöst. Die Heizvorrichtung nach der Er­ findung zeichnet sich gegenüber den bekannten Heizkaltleitern dadurch aus, daß man für Kombinationen von Kaltleitern mit gän­ gigen Werten der Nenntemperatur und des spezifischen Widerstan­ des die Temperatur bis auf etwa 1°C genau einstellen kann. In Versuchen wurde festgestellt, daß sich die Temperaturstabili­ sierung je nach Charakteristika der Heizelemente über einen Spannungsbereich von 30 V bis 100 V erstreckt. Dies bedeutet ge­ genüber der Verwendung selbst hochohmiger einzelner Kaltleiter eine erhebliche Verbesserung. Ein weiterer Vorteil der Er­ findung besteht darin, daß die zulässige Betriebsspannung der Kaltleiter-Kombination höher ist als bei der Einzelbeschaltung der jeweiligen Kaltleiter. Bekanntlich übernimmt bei in Serie geschalteten thermisch nicht gekoppelten Kaltleitern stets nur ein Kaltleiter fast die gesamte Spannung, während der andere praktisch kalt bleibt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden PTC-Heizelemente durch Zusammen­ klemmen, Lötung, oder durch Hochtemperatur-Sinterung miteinan­ der verbunden sind. Dadurch wird die erforderliche sehr enge thermische Koppelung der beiden Heizelemente in einfacher Weise gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Arbeitsweise zweier PTC-Heizelemente mit unterschiedlicher Nenntemperatur gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Oberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Spannung bei einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Das Diagramm gemäß Fig. 1 zeigt das Zusammenwirken des Kurvenver­ laufs des spezifischen Widerstands von zwei Kaltleitern KL 1 und KL 2 in Abhängigkeit von der Temperatur in der beschriebenen Kalt­ leiter-Kombination. Dabei bezeichnet KL 1 den Kaltleiter mit der niedrigeren Nenntemperatur. Das Zusammenspiel der beiden Kalt­ leiter fällt etwas anders aus, je nach dem, ob der spezifische Widerstand des KL 1 größer ist als der des KL 2 oder umgekehrt.

Im ersten Fall fließt zunächst ein Strom gemäß der Summe der beiden Kaltwiderstände durch die Kaltleiter-Kombination. Dieser Strom heizt die beiden Kaltleiter infolge der Jouleschen Wärme auf. Da KL 1 die niedrigere Nenntemperatur besitzt und mehr Span­ nung an ihm abfällt, kippt dieser Kaltleiter zuerst in den hoch­ ohmigen Zustand. Mit zunehmender Spannung steigt auch seine Oberflächentemperatur. Aufgrund der engen thermischen Kopplung der beiden Bauteile wird nun auch KL 2 über die Nenntemperatur hinaus erwärmt, woduch sein Widerstand stark ansteigt. Entschei­ dend ist nun, daß KL 2 hochohmig werden muß, bevor KL 1 sein Wi­ derstandsmaximum erreicht. Diese Bedingung, durch die eine Über­ lastung von KL 1 verhindert werden soll, legt die maximale Dif­ ferenz der Nenntemperaturen der beiden Kaltleiter fest. Im einzelnen verändert sich durch das Ansteigen des Widerstandes von KL 2 der Spannungsabfall über den beiden Bauteilen derart, daß er sich am KL 1 verringert und so ein weiteres Ansteigen seiner Oberflächentemperatur verhindert. Die Grenze der Span­ nungsbelastung ist dann erreicht, wenn einer der Kaltleiter aufgrund zu hoher Feldstärke bricht.

Der zweite Fall, bei dem der spezifische Widerstand des KL 1 kleiner oder gleich dem des KL 2 ist, unterscheidet sich vom ersten Fall in seiner Anfangsphase. Bei größerem Widerstand von KL 2 fällt an diesem zunächst mehr Spannung ab, so daß er schnel­ ler erwärmt wird. Dies bedeutet, daß KL 1 durch die eigene Strom­ wärme und zusätzlich durch KL 2 beheizt wird. KL 1 erreicht als erster seine Nenntemperatur und kippt in den hochohmigen Zu­ stand. Auch bei annähernd gleichgroßen spezifischen Widerstän­ den der beiden Kaltleiter kippt KL 1 zuerst in den hochohmigen Zustand.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Oberflächentemperatur T der Kalt­ leiter-Kombination in Abhängigkeit von der Spannung U für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Nenntemperatur des er­ sten Kaltleiters beträgt 40°C, die des zweiten 180°C. Der spe­ zifische Widerstand beträgt 115 Ohm × cm beim ersten und 120 Ohm × cm beim zweiten Kaltleiter. Man erkennt, daß die Temperatur der Kaltleiter-Kombination mit Anstieg der an der Kombination anliegenden Spannung zunächst einen Peak durchläuft und danach, im Spannungsbereich von 110 V bis 140 V, eine konstante, bei 230°C liegende Temperatur annimmt. Steigert man die anliegende Spannung auf einen Wert über 140 V hinaus, so verläßt man den Bereich der spannungsunabhängigen Temperaturkonstanz. Der ein­ gezeichnete Peak trat in Versuchen nur kurzzeitig auf und auch nur dann, wenn die Spannung in kleinen Schritten (10 V bis 30 V) hochgeregelt wurde. Aus der Fig. ist ferner erkennbar, daß beim Abkühlen der Kombination eine ausgeprägte Hysterese auftritt, wobei der Peak höchstens in stark abgeschwächter Form existiert. Zum Vergleich ist in die Fig. auch noch der Kurvenverlauf des zweiten Heizkaltleiters mit Nenntemperatur 180°C aufgenommen worden. Man sieht leicht, daß dieser in dem Spannungsbereich, in dem die Kaltleiter-Kombination gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Konstanttemperatur aufweist, einen Spannungskoeffizienten der Temperatur von etwa 0,5°C/V besitzt.

Es gibt auch Kombinatinen, bei denen der Peak derartig verbrei­ tert ist, daß bei den Versuchen kein Bereich konstanter Tempe­ ratur festgestellt werden konnte. Die zur Durchführung der Ver­ suche verwendeten Kaltleiter hatten eine Dicke von 1,5 mm und eine Fläche von 0,8 qcm bis 3 qcm.

Claims (2)

1. Heizvorrichtung mit wenigstens zwei einzelnen PTC-Heizele­ menten und selbstregelnder Temperaturstabilisierung, insbeson­ dere bei schwankender Betriebsspannung, wobei die beiden PTC-Heizelemente elektrisch und wärmeleitend miteinander ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die beiden Heizelemente eine unterschiedliche Nenntemperatur aufweisen,
• b) in Serie hintereinander geschaltet sind,
• c) ohne Zwischenschaltung einer Elektrode durch unmittelbare Verbindung im Bereich des gemeinsamen Querschnitts thermisch sehr eng gekoppelt sind und
• d) eine Differenz der Nenntemperaturen aufweisen, die so klein ist, daß der Kaltleiter mit der höheren Nenntemperatur hoch­ ohmig wird, bevor der andere Kaltleiter sein Widerstandsma­ ximum erreicht hat.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden PTC-Heizelemente durch Zusammenklemmen, Lötung, oder durch Hochtemperatursinterung miteinander verbunden sind.