DE8703749U1

DE8703749U1 - Heizelement zum Erwärmen strömender Medien

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Publication number: DE8703749U1
Application number: DE8703749U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1987-05-07

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Heizelement zum Erwärmen strömender Medien 5

Die Erfindung betrifft ein Heizelement zum Erwärmen strömender Medien, bei dem als Wärmetauscher ein aus gut wärmeleitendem Metall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer oder aus Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle bestehender, mit regel-

ID mäßin anaeordneten. in Strömunasrichtuna sich nerinafünin konisch verjüngenden Durchlaßoffnungen versehener Metallkörper dient, bei dem das Volumen sämtlicher zwischen den Durchlaßöffnungen befindlicher Teile des Metallkörpers gleich oder größer als das Volumen sämtlicher Durchlaßoffnungen ist, der Metallkörper mit scheibenförmigen, keramischen Kaltleitern (PTC-Widerständen) beheizt wird, die an einem Teil der Oberfläche des Metallkörpers mit thermisch und elektrisch leitfähigem Kunststoffkleber befestigt sind.

20L/Es ist bekannt, als Heizelement einen keramischen Kaltleiter,, auch PTC-Widerstand genannt, zu benutzen. Ein Kaltleiter besteht aus dotiertem polykristallinem Keramikmaterial mit Perowskitstruktür auf der Basis von Bariumtitanat, dessen wesentliche Eigenschaft das Zusammenwirken von Halbleitung und Ferroelektrizität ist. Als Folge dieser"Eigenschaft ergibt sich in einem bestimmten Temperaturbereich ein ausgeprägter positiver Temperaturkoeffizient des Widerstandes. Ab einer bestimmten Temperatur, der Curietemperatur, die von der chemischen Zusammensetzung der Titanat-Keramik abhängt, steigt der Widerstand nahezu sprunghaft um einige Zehnerpotenzen an.

Wird also der Kaltleiter von einem Strom durchflossen, so heizt er sich auf, bis er die Curietemperatur erreicht hat, um dann, durch den sprunghaft ansteigenden Widerstand, kaum noch von Strom durchflossen zu werden und sich daher energiemäßig zu stabilisieren. Sobald der Kaltleiter gekühlt wird, kann er wieder von Strom durchflossen werden und sich wieder aufheizen (Selbststabilisierung). Damit eignet sich ein Kaltleiter besonders als

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Heizelement mit Selbstreg^-lungseffekt. Ein Überhitzen und folglieh eine Zerstörung eines solchen Heizelementes ist damit ausgeschlossen.

Wie schon erwähnt, kann die Maximaltemperatur des Heizelementes über die Materialzusammensetzung gezielt eingestellt werden. Gegenwärtig sind Tempexaturen bis zu 320* C realisierbar.

In der Regel werden Kaltleiter als Scheiben oder in Form dünner &igr; 10 Platten hergestellt, auf denen an zwei gegenüberliegenden grossen Flächen sperrschichtfreie Metallelektroden aufgebracht wer-&idigr; den, die, wie hinreichend bekannt, z.B. überwiegend Silber oder Nickel enthalten*

Bekannt und zu beachten ist, daß die Kaltleiterkeramik vor allem im Oberflächenbereich im Zusammenhang mit den Metallelektroden eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegen gewisse äußere Einflüsse aufweist, denn nur durch eine gezielte Metallbeschichtung, bei der die Sperrschicht zwischen dem halbleitenden Kaltleitermaterial und dem metallischen Elektrodenmaterial abgebaut wird bzw. nicht entsteht, ist der PTC-Effekt wirksam. Diese Metallbeschichtung muß daher, ebenso wie der Keramikkörper selbst, vor schädigenden Einflüssen bewahrt werden.

Die Verwendung von Kaltleitern zum Aufheizen strömender Medieh ist bekannt. So ist in der DE-PS 28 OA 818 eine elektrische Heizeinrichtung beschrieben, insbesondere für Getränkezubereitungsmaschinen, deren Heizwirkung auf der Verwendung von PTC-Heizelementen beruht, wobei diese Heizelemente durch Einlagen aus elektrisch isolierendem und gut wärmeleitendem Material von Heizplattensegmenten isoliert sind und freie Zwischenräume zwischen benachbarten Heizplattensegmenten mit einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt sein können.

Aus der DE-OS 28 04 749 bzw. der DE-PS 28 04 749 ist ein Durchlauferhitzer bekannt, dessen Heizelemente aus PTC-Keramik bestehen und dessen Wärmeübertrager aus sich zu einer im wesent-

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lichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Zylindersektoren aufgebaut ist, wobei die Zylindersektoren durch einen Zylindermantel umfangsseitig miteinander verspannt sind und die Heizelemente zwischen einander zugewandten Flächen benachbarter Ij-5 lindersektoren angeordnet sind und durch den Druck an die Zylindersektoren gepreßt werden.

Um eins elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Zylindersektor zu 10 er7ieien. befindet sich zwischen dsm. Heizelement und ds™ Zylin-

* detektor eine Aluminiumoxidkeramik. Eventuell vorhandene Zwi-

I schenräume, die durch die Aluminiumoxidkeramik nicht ausgefüllt pj werden, sind mit einer wärmeleitenden und elektrisch isolieren-I den Füllmasse, wie beispielsweise Silikonkautschuk, umgössen.

I Aus der DE-OS ?1 19 302 ist eine Luftheizvorrichtung bekannt. ~i Die wärmeabstrahlenden Anordnungen aus Metall stehen hierbei in J Berührung mit den Oberflächen der Elektroden der jeweiligen ■l Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Heiz-

I 20 elemente können dabei zwischen zwei Abstrahlungsanordnungen I durch wärmebeständige und wärmeleitfähige Silikonkleberschichten

j§ · eingespannt sein, und die vorstehenden Teile der Elektroden der

tfi Heizelemente können durch Leitungsdrähte an elektrisch

I leitfähige Klebstoffschichten angeschlossen sein. Es ist sber

I 25 "auch möglich, durch einen wärmebeständigen und elektrisch leit-

: fähigen Klebstoff die elektrischen Verbindungsdrähte unmittelbar

,5 an die Abstrahlungsaaordnungen anzuschließen.

I Elektrisch und thermisch leitfähige Klebstoffe für höhere Be-30 triebstemperaturen sind beispielsweise in der US-PS 3 898 422 beschrieben. Allerdings wird dort das PTC-Heizelement nur einseitig an das aufzuheizende Objekt mit einem solchen Klebstoff angeklebt, während die zweite Seite des PTC-Heizelementes über eine Klemmfeder kontaktierl wird.
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In der US-PS 4 346 285 ist eine ein PTC-Element anwendende Heizeinrichtung beschrieben. Die wärmeabstrahlenden Körper aus einem gut wärmeleitendem Material weisen Löcher auf, durch die das

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aufzuheizende Medium strömt. Die Wärmeübertragungskörper sind mit dem PTC-Element wärmeleitend durch die klemmende Wirkung einer Schraubverbindung oder über einen elektrisch isolierenden Klebstoff verbunden. Im Falle eines elektrisch leitenden Klebers werden die Warmeubertragungskorper über eine zusatzliche Zwischenlage vom PTC-Element elektrisch isoliert. Um die PTC-EIemente vor dem zu erwärmenden Medium zu schützen, können sie von einem Ring aus Kunststoff umgeben sein. Um jedoch die klemmends Wirkung einer SchraubverDindung nicht zu stören, ist die Dicke dieses Ringes geringfügig kleiner als die Dicke des PTC-Elementes. Dadurch ist aber auch kein vollkommener Schutz mehr gewährleistet, da aufgrund der Dickentoleranzen sowohl der Ringe wie auch der PTC-Elemente eine vollständige Abdichtung nicht gewährleistet ist.

Aus der EP-OS 0 194 507 ist ein Heizelement zum Erwärmen strömender Medien bekannt, bei dem als Wärmetauscher ein Metallkörper dient, der mit scheibenförmigen keramischen Kaltleitern .beheizt wird, die an einem Teil der Oberfläche des Metallkörpers mit Kunststoffkleber befestigt sind. Der Metallkörper besteht aus gut wärmeleitendem Metall und weist regelmäßig angeordnete Durchlaßöffnungen auf, wobei der Anteil der Durchlaßöffnungen am Gesamtvolumen weniger als 50 % beträgt. Die keramischen Kaltleiter sind an gegenüberliegenden Teilen der Außenoberfläche des Metallkörpers angeklebt, eventuell auch in innerhalb des Metallkörpers vorhandenen Aussparungen. Die zweite Elektrode der Kaltleiter wird dabei grundsätzlich über eine Klemmfeder kontaktiert. Dort wird somit nur nur eine einseitige Auskoppelung der vom Kaltleiter gelieferten Wärme ausgenutzt. Diese einseitige Auskoppelung reduziert den Wirkungsgrad des Heizelementes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heizelement Zum Erwärmen strömender Medien, insbesondere zur Anwendung in Kraftfahrzeugen (Erwärmung der Ansaugluft, des Luft-Brennstoffgemisches, Beheizung der Fahrgestelle) und zur Ülvörwärtnung anzugeben, das eine höchstmögliche Auskoppelung der durch die Heizelemente abgegebenen Wärme gewährleistet, einen weitgehenden Schutz der Kaltleiter gegenüber dem zu erwärmenden Medium bietet, dem zu

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erwärmenden Medium nur einen geringen Strömungwiderstand bietet, mechanisch, elektrisch und thermisch flexibel aufgebaut ist und kostengünstig hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Heizelement der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) Der Metallkörper besteht aus mehreren, sich zu einer im wesentlichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Einzelkorpern, insbesondere Sektoren oder Segmenten, die gleichzeitig als Stromzuführungen zu den Kaltleitern dienen,

b) zwischen den Grenzflächen zweier benachbarter Einzelkörper ist mindestens ein keramischer, scheibenförmiger Kaltleiter enthalten, welcher mit seinen die Belegungen tragenden .grossen Stirnflächen an jede der beiden Grenzflächen benachbarter Einzelkörper mittels eines elektrisch und thermisch leitenden Klebers befestigt ist,

c) zusätzlich sind die benachbarten Einzelkorper untereinander mechanisch fixiert, indem in je wenigstens zwei an jeder Grenzfläche befindlichen Öffnungen elektrisch isolierender Kunststoff vorhanden ist, der diese Durchlaßöffnungen paarweise durch wenigstens einen Steg aus dem gleichen Kunststoff verbindet,

d) der Hohlraum, der zwischen zwei Grenzflächen benachbarter Ein zelkörper um die Kaltleiter und den Kleber herum verbleibt, ist mit die Kaltleiter vollständig umhüllenden, elektrisch isolierendem Kunststoff gefüllt,

e) der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper und für die Umhüllung der Kaltleiter sowie zur Füllung der Hohlräume besitzt vollständig oder nahezu denselben thermisehen Ausdehnungskoeffizienten wie das als Wärmetauscher dienende Metall.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der den Metallkörper bildenden Einzelkorper mit einer die Umfangsfläche desselben ringförmig umschließenden Umhüllung versehen ist.

Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch ge-01 05

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kennzeichnet, daß der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper, für die Umhüllung der Kaltleiter, zur Füllung der Hohlräume und für die Umhüllung des Metallkörpers aus zu 30 bis 50 Gew.-SK mit Glasfasern und/oder mit Mikrokugeln verstärktem, spritzgußfähigem, im ausgehärteten Zustand bei der Arbeitstemperatur ausreichend elastischem Kunststoffmaterial, insbesondere Polyphenylensulfid, besteht.

Eine weitere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der Umhüllung des Metallköipers für einen späteren Einbau in ein Rohrleitungssystem dimensioniert sind.

Ein anderes Heizelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden für die Bildung der mechanischen Fixierungen benutzten Durchlaßöffnungen zur jeweiligen Grenzfläche der Einzelkörper hin über die gesamte Dicke des Metallkörpers geöffnet sind und diese beiden Öffnungen dadurch miteinander einen Kanal ergeben, der ebenfalls mit Kunststoff gefüllt ist und einen Steg darstellt.

f Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Steges die Kuns^stofffüllungen der beiden Durchlaßöffnungen beidseitig über den Metallkörper hinausragen und diese herausragenden Enden durch dasselbe KunststofTmaterial miteinander verbunden sind.

Eine weitere Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Stromzuleitungen zu einem Einzelkörper über mindestens einen in mindestens eine Durchlaßöffnung gesteckten Stecker erfolgt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zu einem Einzelkörper über eine an diesen angeformte Lasche erfolgt.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines Heizelementes 1st dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen einander [ diametral gegenüberstehen und als Stifte so ausgebildet sind,

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daß das Heizelement nach Einbau in ein Rohrleitungssystem drehbar ist.

Eine andere Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Strömungswiderstandes sich auf der Einlaßseite der Einzelkörper konische Einlaßöffnungen überschneiden, so daß aneinandergrenzende Durchlaßöffnungen durch scharfe Kanten voneinander getrennt sind.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß durch das beiseitige Ankleben der Wärmeübertragungskörper ein sehi guter thermischer Kontakt zwischen dem PTC-Element und dem Wärmetauscher besteht, wodurch sowohl die erzeugte Wärme optimal ausgekoppelt, als auch eine bessere Rückkcppelung auf die Selbstregelung 15 des PTC-Elementes erzielt werden kann. Weiterhin ist der Aufbau ; des Heizelementes sehr einfach und kostengünstig, da es lediglich aus den Wärmetauschern, den Heizelementen, dem elektrisch und thermisch leitenden Klebstoff sowie dem zur Kapselung der PTC-Elemente und zur Fixierung der Wärmetauscher dienenden Kunststoff besteht. Zusätzliche Schraubverbindungen oder Klemmschellen sind nicht erforderlich.

In der "Technischen Information" 830314 mit dem Titel "Kaltleiter als Heizelemente", Seiten 1 bis 10, der Firma VALVO, die selbst Kaltleiter und mit Kaltleitern beheizte Vorrichtungen herstellt und eine große Erfahrung auf diesem Spezialgebiet besitzt, wird auf Seite 5 unter Punkt 5.3, Absatz 2, festgestellt, daß bevorzugt bei zweiseitiger Verklebung wegen der durch die thermische Wechselbelastung ausgelösten mechanischen Spannungen die Möglichkeit besteht, daß sich die Verklebung löst oder daß Risse in der Kaltleiterscheibe auftreten. Die vorliegende Erfindung, die durch den Stand der Technik nicht nahegelegt ist, vermeidet diese Schwierigkeiten, denn die zusätzlich zur Verklebung vorhandene spezielle mechanische Fixierung mittels elastischem Kunststoff beugt diesen bekannten Problemen vor. Dies wurde an drei Heizelementen (Heizwaben) durch je 40.000 Belastungszyklen (Erwärmung auf 230*C in ca. 30 Sekungen, Haltezeit 2 Minuten, Ab-

kühlung ir·· 3 Minuten auf Raumtemperatur, dann erneuter Zyklus)

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FIG	2
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nachgewiesen. Alle drei Heizwaben waren nach diesen Tests voll funktionsfähig. Risse oder Ablösungserscheinungen waren nicht feststellbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben und sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen; FIG 1 eine Draufsicht auf ein Heizelement, eine Seitenansicht desselben Heizelementes, einen Schnitt duTGh dasselbe Heizelement, FIG A einen Teilschnitt durch dasselbe Heizelement, eine Draufsicht auf das geschnittene Heizelement, einen weiteren Querschnitt durch dasselbe Heizelement, \ einen Teilausschnitt des Heizelementes, j

Durchlaßkanäle im Detail, \

FIG 9 eine drehbare Ausführung des Heizelementes, \

FIG 10 eine Draufsicht auf ein Heizelement mit Stromzufuhrungs-

laschen, 1

FIG 11 einen Schnitt des Heizelementes mit Stromzuführungsla- < sehen. {

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In FIG 1 ist eine Draufsicht auf ein Heizelement gezeigt. Als Wärmetauscher dienen hierbei zwei aus Aluminium, Kupfer oder einer Legierung mit einem hohen Anteil dieser Metall bestehende Einzelkörper I₁ 2, die eine Vielzahl von Durchlaßöffnungen 3 aufweisen. Zur Einlaßöffnung hin sind diese Durchlaßöffnungen 3 konisch aufgeweitet, so daß durch die geringen Abstände der einzelnen Durchlaßöffnungen 3 voneinander sich die Einlaßöffnungen überschneiden und scharfe Kanten 5 entstehen, die zwei benachbarte Durchlaßöffnungen 3 voneinander trennen. Daher weist eine vollständig von anderen Durchlaßöffnungen 3 umgebene Durchlaßöffnung 3 einen sechseckigen Rand auf.

In der Verbindungsebene zwischen dem Einzelkörper 1 und dem Einzelkörper 2 liegen die PTC-Elemente. Sie sind von einer Kunststoffumhullung vollständig eingeschlossen. Unmittelbar an der Verbindungsebene gelegene Durchlaßöffnungen können als Öffnungen für Stege 4 ausgebildet sein. Der Verbindungssteg zwischen diesen Öffnungen kann dabei entweder durch eine Ein-

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fräsung in die Einzelkörper 1, 2 hergestellt werden oder durch eine außerhalb der Einzelkörper 1, 2 liegende Verbindung, z.B. als Steg 6, hergestellt sein. Zusätzlich können die Einzelkörf?er 1, 2 noch von einer ringförmigen Umhüllung 7 umgeben sein, die beim Einbau in ein Metallrohr zur Wärmedämmung und zur elektrischen Isolation dient. Die mechanische Fixierung der beiden Einzelkörper 1 und 2 erfolgt aber lediglich über Verbindungsstege, wie den Steg 4 oder den Steg 6, so daß die ringförmige Umhüllung bei einem Einbau in ein nicht wärmeleitendes und gegebenenfalls elektrisch isolierendes Kunststoffrohr auch eingespart werden kann.

In FIG 2 ist eine Seitenansicht des Heizelementes gezeigt. Man erkennt wiederum die ringförmige Umhüllung 7, die als Warmedämmung die beiden Einzelkörper 1 und 2 umschließt. Der mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1 und 2 dienen die Stege 6, die über hier nicht sichtbare Öffnungen für Stege die Einzelkörper 1 und 2 zusammenhalten.

Der in FIG 3 dargestellte Schnitt zeigt eine der Möglichkeiten zur gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1, Die unmittelbar an der Verbindungsebene gelegenen Durchlaßöffnungen, die durch den Steg 4 verbunden werden sollen, besitzen keine konischen Einlaßöffnungen. Statt dessen ist über die ganze Dicke des jeweiligen Einzelkörpers" 1 oder 2 je eine zur Verbindungsfläche offene Nut eingefräst, wodurch zwischen zwei aneinander grenzenden, benachbarten Einzelkörpern 1, 2 ein Verbindungskanal 8 zwischen den jeweiligen Öffnungen entsteht. Die- &kgr; ser Verbindungskanal 8 ist mit demselben Kunststoff gefüllt, der auch die ringförmige Umhüllung 7 bildet bzw. als Steg 6 dient und stellt damit den Steg 4 dar. Bei einem Steg 6 existiert zwischen den benachbarten Durchlaßöffnungen kein Verbindungskanal 8, sondern die mechanisch fixierende Verbindung ensteht durch den Steg 6 selbst. f

In FIG 4 ist eine andere Seitenansicht mit einem Teilschnitt gezeigt. Man erkennt die ringförmige Umhüllung 7, sowie den beidseitig zweier Durchlaßoffnungen vorhandenen Steg 6, der zur

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gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1 und 2 dient. Der Schnitt durch eine größere Anzahl von Durchlaßöffnun gen 3, die sich im Einzelkörper 1 befinden, laßt deutlich die scharfe Kante 5 erkennen, die durch Überschneiden der konischen Einlaßöffnungen entsteht.

Der Pfeil A in den Figuren 3 und 4 zeigt die Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums.

FIG 5 zeigt im Schnitt V - V der FIG 2 eine Aufsicht auf ein Heizelement. Der Schnitt erfolgte unterhalb der konischen Erweiterung der Durchlaßöffnungen 3. Zur gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1 und 2 dienen die durch den Steg 4 im Verbindungskanal 8 miteinander verbundenen Öffnungen. Die weiteren Öffnungen 9, 10 sind nicht durch einen Verbindungskanal verbunden, sondern durch den in der FIG 1 gezeigten Steg 6. Zwischen den Einzelkörpern 1, 2 befinden sich die Kaltleiter 11, die, wie in FIG 6 zu erkennen ist, von Kunststoff IA umschlossen sind.

In FIG 6 ist das Heizelement aus FIG 1 längs der Linien VI - VI gezeigt. Bei diesen Durchlaßöffnungen 3 sind hier keine konischen Einlaßaufweitungen gezeigt. Die das Loch 10 aus FIG 5 vollständig ausfüllende Kunststoffüllung 13 geht nahtlos in den sus FIG 1 bekannten Steg 6 über und bewirkt damit eine mechanische Fixierung der beiden Einzelkörper 1 und 2.

In FIG 7 ist die Kunststoffumhüllung 14 des Kaltleiters 11 vergrößert dargestellt. Mit den Einzelkörpern 1, 2 sind die Belegungen 12 des Kaltleiters 11 über den elektrisch und thermisch leitenden Kleber 15 verbunden. Gegen die Umwelt ist der Kaltleiter 11 vollständig durch die Kunststoffumhüllung 14 abgeschirmt. Eine zusätzliche Abdichtung erfolgt dabei durch die Dichtkante 26, die sich in den Verbindungsflächen der Einzelkörper 1 und 2 befindet.

In FIG 8 sind die scharfen Kanten 5, die die Durchlaßöffnungen 3 voneinander trennen, in vergrößerter Form zu erkennen.

In FIG 9 ist eine Ausführung eines Heizelementes gezeigt, die beispielsweise für die Anwendung als Defroster in einem Kraftfahrzeug geeignet ist. Der grundsätzliche Aufbau dbs Heizelementes ist bereits aus der FIG 1 bekannt, zusätzlich weist dieses Heizelement jedoch noch Kontakte 21, 22 auf, die als Stromzuführung dienen. Ferner dienen diese Kontakte 21, 22 als Montageelement für die Positionierung des Heizelementes in einer speziell gestalteten Einbaufassung 25 aus Kunststoff. In dieser Einbaufassung 25 sitzen zwei selbstschmierende Hülsen 24, durch deren Bohrung das Heizelement mittels der beiden Kontaktstifte 21, 22 drehbar gelagert ist. An dem Kontaktstift 22 ist außerhalb der Einbaufassung ein Drehhebel 23 angebracht, über den die Position des Heizelementes von außen eingestellt werden kann \ und gewissermaßen wie eine Drosselklappe drehbar ist.

In der Ruhestellung, d.h., wenn die Erwärmung der Strömungsluft nicht erforderlich ist, steht das Heizelement parallel zur durch den Strömungskanal 19 herangeführten Strömung A, um den ; Strömungswiderstand möglichst gering zu halten (gestrichelte jj; 20 runde Scheibe). Im Betriebsfall wird das Heizelement um 90" gedreht und steht somit quer zur Strömung A. Bei Anlegen der Beil triebsspannung wird die einströmende Luft erwärmt, j
' In der FIG 10 ist eine andere Ausführungsform des Heizelementes dargestellt. Der'Grundaufbau ist derselbe wie schon aus der ; FIG 1 bekannt, allerdings weist diese Ausführungsform des Heiz- ] elementes eine besondere Ausgestaltung der ringförmigen Umhül-' lung 16 auf, die sie für einen Einbau in ein Rohrleitungssystem '■ ' besonders geeignet macht. Weiterhin sind Stromzuführungslaschen 17, 18 vorhanden, die in direkten elektrischen Kontakt mit den Einzelkörpern 1, 2 stehen, welche wiederum als Stromzuführung zu den Kaltleitern dienen.

In FIG 11 ist das Heizelement aus FIG 10 im Querschnitt gezeigt. Man erkennt, daß in diesem Falle die Stromzuführungslaschen 17, 18 direkt an den Einzelkörper 2 bzw. 1 angeformt sind. Die ringförmige Umhüllung 16 weist zusätzliche Aussparungen auf, um Dichtringe 20 aufnehmen zu können. Durch diese Dichtringe 20

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wird eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Rohrleitungssystem 19 und dr.m Heizelement erreicht.

Nachfolgend werden einige technische Daten bezüglich des Aufbaus und der Anwendungsmoglichkeiten einer erfindungsgemäßen Heizwabe angegeben.

Der Betriebsspannungsbereich erstreckt sich je nach Bauform der Kaltleiter von 6 V bis 240 V, wobei Leistungen bis zu 800 W realisierbar sind. Die höchste erreichbare Temperatur liegt bei 250" C. Dieser Wert resultiert vor allem aus der Leistungsfähigkeit des Klebers sowie der Kunststoffumhüllung.

Die als Kleber geeigneten Materialien sind in der schon erwähnten US-PS 3 898 422 beschrieben. Selbstverständlich kann auch ein anderer Klebstoff verwendet werden, wenn er die folgenden Kriterien erfüllt:

- Temperaturbestandxgkeit mindestens 250" C,

- ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand maximal 0,001 Ohm &khgr; cm,

- hervorragende Wärmeleitfähigkeit, mindestens 12 W/mK,

- lineare Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 60 bis 80 &khgr; 10"⁶ l/K,

- erforderliche Zugfestigkeit 20 bis 30 Kg/cm²,

- elastische Eigenschaften

- Korngröße des Feststoffanteils kleiner 15 pm,

- Feststoffmenge etwa 72 Gew.-%, Feststoff z.B. versilberte Kupferpartikel.

Der verwendete Kunststoff ist ebenfalls von erheblicher Bedeutung. Einerseits soll der Kunststoff die Keramik mechanisch und chemisch gegen das zu erwärmende Medium schützen, andererseits soll er die thermomechanischen Kräfte auf Klebeverbindung und Keramik durch die mechanische Fixierung der Einzelköfper minimieren. Weiterhin soll er die Einzelkörper gegen eine eventuell elektrisch leitende Rohrwandung isolieren und erforderlichenfalls auch als thermische Isolierung dienen. Dafnit ergeben siöh folgen-

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de Forderungen an den Kunststoff:

- Temperaturbeständigkeit mindestens 250' C,

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- lineare Wärmeausdehnungskoeffizient maximal 22 &khgr; 10 l/K,

- Brennbarkeit nach UL 94 V/0 (UL: gemäß Vorschriften der Underwriters Laboratories Inc.), d.h. selbstlöschend,

- Resistenz gegenüber dem zu erwärmendem Medium,

- Zugfestigkeit mindestens 100 N/mm².

Ein Material, das diesen Anforderungen gerecht wird, ist das

mit Glasfasern oder mit Glaskugeln verstärkte Polyphenylensulfid von L.N.P. Plastics, Nederland B.V., mit einem Glasanteil von . 40 Gew.-%.

Die zur Wärmeübertragung dienenden Einzelkörper werden vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung im DYuckgußverfahren hergestellt. Die äußere Form ist je nach Anwendung kreisrund, oval oder vieleckig. Für den Aufbau des Heizsystems · sind mindestens zwei solcher Wärmeübertrager erforderlich. An der jeweiligen Verbindungsstelle besitzen die Wärmeübertrager eine plane Fläche zur Aufnahme der PTC-Elemente. Mögliche Grundformen des aus den Einzelkörpern zusammengesetzten Metallkörpers sind z.B. ein aus 4 Vierteln bestehender Zylinder oder ein aus zwei Hälften bestehender Zylinder. Auch ein dreigeteilter Zylinder, der aus einem Mittelblock mit parallelen Verbindungsflächen und zwei Zylindersegmenten besteht, ist realisierbar, wobei der Mittelblock an den Plus-Pol und die beiden Kreissegmente an den Minus Pol der Spannungsquelle angeschlossen werden.

Zu beachten ist, daß die Einzelkörper als Stromzuführung dienen und daher immer die Möglichkeit bestehen muß, an das zwischen zwei Einzelkörpern sich befindende PTC-Element sowohl eine positive wie auch eine negative Spannung anlegen zu können. Die Stromzuführung an den Einzelkörper kann dabei über Klemmen oder in eine Durchlaßöffnung gesteckte Stecker oder Druckfedern oder ähnliche elektrisch leitende Gegenstände erfolgen. Zu beachten 1st bei der Anwendung jedoch, daß das strömende Medium höchstens eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen darf, um einen

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·: ·"*: :":&Pgr;^:3 O US OE Kurzschluß zwischen den Einzelkörpern zu vermeiden.

Zur Verringerung des Strömungswiderstandes besitzen die Einzelkörper eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Durchlässe, di° einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Die lichte Weite nimmt dabei von der Einlaßseite mit einem konstanten Krümmungsradius bis zu maximal 1/3 der Durchlaßlänge ab und bleibt anschließend bis zur Auslaßseite konstant ode^ weist über die gesamte Dicke des Körpers höchstens eine Konizität von zwei Hinkelgraden auf.

Im Einlaßbereich laufen die Krümmungsradien der einzelnen Durchlässe gegenseitig bis auf eine Kante zusammen, so daß quer zur Strömungsrichtung keine Flächen verbleiben. Jede dieser Kanten weist einen Radius von 0,1 bis 0,2 mm auf. Die Drauf-

.15 sieht auf die Durchlässe zeigt dann eine wabenähnliche Form mit einer Vielzahl einzelner Sechseckstrukturen.

Das Volumen sSmtl'cher zwischen den Durchlässen befindlicher Teile des Metailköf-pers ist gleich oder maximal um 30 % größer als das Volumen sämtlicher Durchlässe.

Um eine möglichst einfache und preisgünstige Herstellung der Einzelkörper zu erreichen, ist es ratsam, den gesamten, wärmeübertragenden Metallkörper aus identisch aufgebauten Einzelkörpern zusammenzusetzen.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem:

Verglichen zur bekannten Keramikwabe oder anderen Heizungen mit asymmetrischer Temperaturauskoppelung von Kaltleitern, ergibt sich bei der vorliegenden Erfindung eine deutliche Kosteneinsparung in der Größenordnung von bis zu 40 %.

Dafür zeigen sich mehrere Aspekte verantwortlich: Zum einen fallen Kontaktierungsfedern, aufwendige Gehäusekonstruktionen sowie erforderliche Isolierteile weg. Zum anderen kann durch die symmetrische Auskoppelung die Anzahl der Kaltleiter reduziert werden. Der Aufbau besteht lediglich aus vier

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verschiedenen Komponenten wie Kaltleiter, Wärmeübertrager, Kleber und Kunststoffassung.

Mit den Einzelkomponenten Wärmeübertrager, Kaltleiter und Kleber erfolgt die Vormontage des Verklebens. Die Endmontage ist das Umspritzen mit dem Kunststoff. Die Gesamtmontage beschränkt sich auf .zwei Vorgänge, die kostengünstig in einer Serienfertigung realisierbar sind.

11 FIG 10 ansprüche

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Claims

§7 G 7 O O 5 DE Schutzansprüche

1. Heizelement zum Erwärmen strömender Medien, bei dem als Wärmetauscher ein aus gut wärmeleitendem Metall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer oder aus Legierungen mit hohem Anteil dieser Metalle bestehender, mit regelmäßig angeordneten, in ■^Strömungsrichtung sich geringfügig konisch verjüngenden Durchlaßoffnungen (3) versehener Metallkörper dient, bei dem das Volumen sämtlicher, zwischen den Durchlaßoffnungen (3) befindlicher Tei-Ie des Metallkörpers gleich oder größer als das Volumen sämtlicher Durchlaßoffnungen (3) ist, der Metallkörper mit scheibenförmigen_y keramischen Kaltleitern (11) (PTC-Widerstände) beheizt wird, die an einem Teil der Oberfläche des Metallkörpers mit thermisch und elektrisch leitfähigem Kunststoffkleber befestigt sind, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) der Metallkörper besteht aus mehreren, sich zu einer im wesentlichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Einzelkörpern (1, 2), i .sbesondere Sektoren oder Segmenten, die gleichzeitig als Stro^zuführungen zu den Kaltleitern (11) dienen, b) zwischen den Grenzflächen zweier benachbarter Einzelkörper (1, 2) ist mindestens ein keramischer, scheibenförmiger Kaltleiter (11) enthalten, welcher mit seinen die Belegungen (12) tragenden großen Stirnflächen an jede der beiden Grenzflächen benachbarter Einzelkörper (1, 2) mittels eines elektrisch und thermisch leitenden Klebers (15) befestigt ist,

c) zusätzlich sind die benachbarten Einzelkörper (1, 2) untereinander mechanisch fixiert, indem in je wenigstens zwei an jeder Grenzfläche befindlichen Öffnungen (9, 10) elektrisch isolierender Kunststoff (13) vorhanden ist, der diese Durchlaßöffnungen paarweise durch wenigstens einen Steg (A, 6) aus dem gleichen Kunststoff verbindet,

d) der Hohlraum, der zwischen zwei Grenzflächen benachbarter Einzelkörper (1, 2) um die Kaltleiter (11) und den Kleber 115) herum verbleibt, ist mit die Kaltleiter (11) vollständig umhüllendem, elektrisch isolierendem Kunststoff (IA) gefüllt,

e) der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper (1, 2) und für die Umhüllung (IA) der Kaltleiter (11) sowie zur Füllung der Hohlräume besitzt vollständig oder nahezu

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denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das als Wärmetauscher dienende Metall.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der den Metallkörper bildenden Einzelkörper (1, 2) mit einer die Umfangsflache desselben ringförmig umschließenden Umhüllung (7) versehen ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -

kennzeichnet, daß der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper (1, 2), für die Un^iüllung (14) der Kaltleiter (11), zur Füllung der Hohlräume für die ringförmige Umhüllung (7) des Metallkörpers aus zu 30 bis 50 Gew.-35 mit Glasfasern und/oder mit Mikrokugeln verstärktem, spritzgußfähigem, im ausgehärteten Zustand bei Arbeitstemperatur ausreichend elastischem Kunststoffmaterial, insbesondere Polyphenylensulfid, besteht.

4. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichn'et, daß die äußeren Abmessungen der ringförmigen Umhüllung (7) des Metallkörpers für einen späteren Einbau in ein Rohrleitungssystem (19) dimensioniert sind.

5. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden für die Bildung der mechanischen Fixierungen benutzten Öffnungen zur jeweiligen Grenzfläche der Einzelkörper (1, 2) hin über die gesamte Dicke des Metallkörpers geöffnet sind und diese beiden öffnungen dadurch miteinander einen Verbindungskanal (8) ergeben, der ebenfalls mit Kunststoff gefüllt ist und eingn Steg (4) darstellt.

6. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet . daß zur Ausbildung eines Steges (6) die

Kunststoffüllungen (13) der beiden Öffnungen (9, 10) beidseitig über den Metallkörper hinausragen und diese herausragendcn Enden durch dasselbe Kunststoffmaterial miteinander verbunden sind.

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7. Heizelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuleitung zu einem Einzelkörper über mindestens einen, in mindestens eine Durchlaßöffnung
gesteckten Stecker erfolgt.

8. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zu einem Einzelkörper (2) über eine an diesen angeformte Lasche (17) erfolgt.

9. Heizelement nach Anspruch 1. dadurch gekenn- 1

zeichnet, daß die Stromzuführungen einander diarne- |i

tral gegenüberstehen und als Stifte (21, 22) so ausgebildet sind, I

daß das Heizelement nach Einbau in ein Rphrleitungssystem (.19) _;

drehbar ist. *

;

10. Heizelement nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Strömungswider- c

Standes sich auf der Einlaßseite der Einzelkörper (1, 2) koni- ^f

sehe Einlaßöffnungen so überschneiden, daß aneinander grenzen- f

de Durchlaßöffnungen (3) durch scharfe Kanten (5) voneinander ?

getrennt sind.

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