EP0057171A2 - Self-regulating heating element - Google Patents

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EP0057171A2
EP0057171A2 EP19820890011 EP82890011A EP0057171A2 EP 0057171 A2 EP0057171 A2 EP 0057171A2 EP 19820890011 EP19820890011 EP 19820890011 EP 82890011 A EP82890011 A EP 82890011A EP 0057171 A2 EP0057171 A2 EP 0057171A2
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Walther Dr. Menhardt
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DR. PETER NESVADBA GESELLSCHAFT M.B.H.
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Dr Peter Nesvadba GmbH
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    • H05B3/141Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Abstract

1. Self-regulating heating element having at least one resistor heating member arranged in a casing and made of an electrically conducting ceramic material having a positive temperature coefficient of electrical resistivity said heating member being inserted between two small metal blocks which rest directly against ist side faces, said small metal blocks being insulated electrically one from the other, the outer surface of said small metal blocks serving for outwardly directed heat transfer being greater than the contact area between the heating member and the small metal blocks, characterized in, that the one small metal block (9) comprises a groove-like recess (10), in which the heating member (1) and the second small metal block (3) are inserted, the one face of said heating member (1) rests against the one side wall of this recess (10), the second face of said heating member rests against the second small metal member (3) and the second small metal member (3) rests against the other side of this recess (10), and between the second small metal block (3) and its contact surface in the groove-like recess (10) there is inserted an electrical insulation (14), with this the pressing of said metal blocks against the heating member originates from forces received within the groove-like recess (10), or that the structure consisting of said heating member (1), said both small metal blocks and an insulation arranged around their outer surface is inserted between walls (23, 24) of a housing which can be pressed together, and which are forced together for creating a pressing between the small metal blocks and the heating member by a clamp (25) acting against the outer surface of said walls.

Description


  
 



  Selbstregelndes Heizelement Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem in einer Umhüllung angeordneten   Wider-    stands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstand des, welcher Heizkörper zwischen zwei unmittelbar an seinen Seitenflächen angedrückt anliegende Metallklötzchen, die elektrisch voneinander isoliert sind, eingefügt ist, wobei die der Wärmeübertragung nach aussen dienende Aussenfläche dieser Metallklötzchen grösser als die Berührungsfläche zwischen dem Heizkörper und den Metallklötzchen ist.



  Bei Heizelementen vorgenannter Art stellt sich die   Energieauf-    nahme des an eine Spannungsquelle angeschlossenen   Widerstands    Heizkörpers ohne weiteres Zutun, also ohne   Schaltmassnahme      od.dglO,    so ein, dass der Widerstands-Heizkörper eine bestimmte   im    wesentlichen von seiner Material zusammensetzung abhängige Temperatur   annimmt    Dies ergibt sich dadurch, dass der elek   trische    Widerstand des   Widerstands-Heizkörpers    oberhalb einer   bestimmten    Temperatur stark zunimmt und demgemäss die Energieaufnahme aus der elektrischen Spannungsquelle sinkt.

  Dieser Wirkungszusammenhang hält nun zwar die Temperatur des an die   Spannungsquelle    angeschlossenen   Widerstands-Heizkörpers    selbst praktisch konstant, vermag aber die Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die erzeugte Wärme   abgenommen    wird, bei den bisher bekannt gewordenen bzw. beschriebenen Heizelementen dieser Art nicht im erwünschten Ausmass konstant zu   hal-    ten, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die Wärmeabfuhr von der Umhüllung schwankt.

  Dieser Nachteil rührt daher, dass der Wärmewiderstand, der zwischen dem   Widerstands-Helzkorper    und er Umhüllung vorliegt, ein Temperaturgefälle verursacht, dessen   Grösse von der von der Umhüllung abgeführten Wärmemenge abhängt, wozu vielfach noch kommt, dass sich der Wert des Wärmewiderstandes mit Anderung des Temperaturgefälles gleichfalls ändert.



  Dementsprechend kommt es zu unerwünschten Schwankungen der Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die Wärme abgenommen wird, obwohl der Heizkörper des Heizelementes eine praktisch konstante Temperatur hat.



  Aus der DE-OS 2 551 980 ist ein wie vorgenannt ausgebildetes Heizelement bekannt, bei dem eine axiale Stapelung von Keramikheizkörpern und Metallkörpern vorliegt, wobei der so gebildete Stapel in eine rohrartige Keramikhülle eingeschoben ist und durch Federn zusammengehalten wird, die sich gegen Querwände dieser   Keramikhülle    abstützen. Es wird auf diese Weise nur ein verhältnismässig geringer Kontaktdruck zwischen den Metallkörpern und den Heizkörpern erzielt, und die ganze Anordnung erfordert für ihre Montage einen verhältnismässig grossen Aufwand.



  Weil bei diesem bekannten Heizelement nur ein verhältnismässig geringer Kontaktdruck zwischen den Heizkörpern und den Metallkörpern des Stapels vorliegt, wobei durch die verhältnismässig schwierige Montage leicht Minderungen des Kontaktdruckes entstehen können, ergibt sich ein relativ grosser Wärmewiderstand an den Anliegeflächen der Metallkörper an den Heizkörpern, wozu noch, durch die Konzeption bedingt, ein erheblicher Wärmewiderstand zwischen den Metallkörpern und der Keramikhülle kommt.



  Ziel der Erfindung ist es, ein selbstregelndes Heizelement eingangs erwähnter Art zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile behoben sind und bei dem auch die Umhüllung eine weitgehend konstante Temperatur hat.



  Das erfindungsgemässe selbstregelnde Heizelement eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, dass dass das eine Metallklötzchen eine nutartige Ausnehmung aufweist, in die der Heizkörper und das zweite Metallklötzchen eingefügt ist, wobei eine   Seite des Heizkörpers an der einen Seitenwand dieser Ausnehmung, die zweite Seite des Heizkörpers am zweiten   Metallklötz-    chen und das zweite Metallklötzchen an der anderen Seite dieser Ausnehmung anliegt, und zwischen das zweite Metallklötzchen und seine Anliegefläche an der nutartigen Ausnehmung eine   elektri-    sche Isolierung eingefügt ist, und dabei der Andruck der Metall   klötzchen    an den' Heizkörper durch innerhalb der nutartigen Ausnehmung aufgenommene Kräfte entsteht, oder dass das aus dem Heizkörper,

   den beiden Metallklötzchen und einer um die   Aussen-    fläche derselben angebrachten Isolierung bestehende Gebilde eng passend zwischen zusammendrückbare Wände eines Gehäuses eingefügt ist, welche von einer aussen an diesen Wänden angreifenden Klammer zur Erzeugung des Andrucks zwischen den Metallklötzchen und dem Heizkörper zusammengepresst sind. Durch diese Ausbildung kann der vorstehend angeführten Zielsetzung auf konstruktiv einfache Weise sehr gut entsprochen werden. Es ergibt sich dabei durch die erfindungsgemässe Ausbildung ein sehr geringer Wärmewiderstand im Weg der Wärmeübertragung vom Heizkörper zur Umhüllung, und   zwar    gerade an der ersten   Ubergangsfläche    dieses Weges, die zwischen dem Heizkörper und den daran anliegenden Metallkörpern vorliegt, was besonders bedeutsam ist.

  Der erfindungsgemäss vorgesehene Lösungsweg ermöglicht es auf konstruktiv einfache Weise, durch die nutartige Konfiguration eine von den   Seiten-einwlrkende    gute Kontaktpressung zu erzielen, wobei überdies dieser Vorteil mit geringem Herstellungsaufwand und mit einer sehr einfachen Montierbarkeit einhergeht.



  Es ist bei der Ausbildung, bei der das eine Metallklötzchen eine nutartige Ausnehmung aufweist, in die der Heizkörper und das zweite Metallklötzchen eingefügt ist, weiter zum Erzielen eines besonders geringen Wärmewiderstandes vorteilhaft, wenn man vorsieht, dass der Heizkörper mit dem zweiten   Metallklötz-    chen streng passend in die nutartige Ausnehmung des ersten Metallklötzchens eingepresst ist und der Heizkörper durch diese Zwängung unter Druck an den Metallklötzchen anliegt. Es ist  dabei weiter sowohl im Sinne einer einfachen Montage als auch im Sinne einer Kleinhaltung des Wärmewiderstandes in einer um die Aussenfläche der Metallklötzchen gelegten Isolierung günstig, wenn man vorsieht, dass in die nutartige Ausnehmung oberhalb oder unterhalb des Heizkörpers die elektrischen Anschlussdrähte eingefügt sind.

  Eine hinsichtlich des Herstellens der elektrischen Verbindungen der Anschlussdrähte besonders einfache Ausbildung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte zur Bildung einer elektrischen Verbindung an das erste, die nutartige Ausnehmung enthaltende Metallklötzchen und an das zweite Metallklötzchen angepresst sind.



  Bei jener Ausbildung des erfindungsgemässen Heizelementes, bei der das aus dem Heizkörper, den beiden Metallklötzchen und einer um die Aussenflächen derselben angebrachten Isolierung bestehende Gebilde eng passend zwischen zwei Wände eines Gehäuses eingefügt ist, die mit einer Klammer zusammengepresst sind, ist es, wenn eine Metallplatte erwärmt werden soll, sowohl für die Montage als auch zum Erzielen eines geringen Wärmewiderstandes weiters vorteilhaft, dass die elastisch zusammendrückbaren Gehäusewände mit einer zu erwärmenden Metallplatte integriert sind.

 

  Die Erfindung wird nun anhand von lediglich   Ausführungs-      wegedarstellenden    Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1 und 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgebildeten Heizelementes im Quer- und im Längsschnitt, Figur 3 eine Variante eines solchen Heizelementes, gleichfalls im Schnitt, Figur 4 das Einfügen der Ausführungsform nach Figur 2 in ein Gehäuse,   Figur 5 eine weitere   Aus führungs form    eines erfindungsgemäss ausgebildeten Heizelementes, und Figur 6 eine der Figur 5 entsprechende   Aus führungs form,    die mit einer zu erwärmenden Platte integriert ist.



  Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten   Aus führungs form    eines selbstregelnden Heizelementes ist ein-   Widerstands-Helz-    körper 1 vorgesehen, der aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes beteht. Dieser Heizkörper 1 ist zwischen zwei   unmittel-    bar an seinen Seitenflächen anliegende Metallklötzchen 3, 9 eingefügt. Hiebei weist das eine Metallklötzchen 9 eine nutartige Ausnehmung 10 auf, in die der Heizkörper 1 und das zweite Metallklötzchen 3 eingefügt ist. Es liegt dabei eine Seite des Heizkörpers 1 an der einen Seitenwand 11 der Ausnehmung 10 und die zweite Seite des Heizkörpers am zweiten Metallklötzchen 3 an.

  Das zweite Metallklötzchen 3 liegt seinerseits an der anderen Seitenwand 12 der Ausnehmung 10 an und ist vom ersten Metallklötzchen 9 durch eine elektrisch isolierende Folie 14 isoliert, die zwischen das Metallklötzchen 3 und die Seitenwand 12 eingefügt ist. Um einen besonders guten Wärmeübergang zu   erzielen,    ist dabei der   Heizkörper    1 mit dem zweiten Metall   klötzchen    3 streng passend in die nutartige Ausnehmung 10 des ersten Metallklötzchens 9 eingepresst, sodass der Heizkörper 1 unter Druck an den beiden Metallklötzchen anliegt.



  Wie sich aus den Figuren 1 und 2 ergibt, ist die der Wärmeübertragung nach aussen dienende Oberfläche 15 des   Metallklötzchens    9 grösser als die   Berührungsfläche    zwischen dem Heizkörper 1 und den Metallklötzchen; dies ergibt sich sowohl daraus, dass der Heizkörper 1 kürzer als die Metallklötzchen 9, 3 ausgebildet ist (Figur 2), als auch daraus, dass die in Umfangsrichtung gelegenen Abmessungen des Metallklötzchens 9 wesentlich grösser als die des Heizkörpers 1 sind (Figur 1).  



  Der Aufbau des in den Figuren 1 und 2'dargestellten Heizelementes ist hinreichend stabil, um dieses Heizelement an beliebigen Stellen, an denen ein Wärmebedarf besteht, anbringen zu können. Soferne dabei eine elektrische Isolierung erforderlich ist, kann man dieses Heizelement ohne weiteres mit einer solchen Isolierung versehen. Gewünschtenfalls kann man weiters eine wärmeleitende Masse dazu verwenden, allfällige im Zuge der Fertigung entstandene Hohlräume, die im Aufbau des Heizelementes vorliegen, auszufüllen. Das Einbringen einer solchen Masse kann im Zuge des Zusammenfügens der einzelnen Teile des Heizelementes oder auch nach dem Zusammenfügen von der Stirnseite her erfolgen, und es kann eine solche Masse auch dazu dienen, konstruktiv bedingte Hohlräume, wie z.B. die Räume beiderseits des Heizkörpers 1, auszufüllen   bzw    abzudichten.



  Zur Herstellung der Stromzuleitungen zum Heizkörper 1 kann man Anschlussdrähte zu unmittelbar am Heizkörper 1 vorgesehenen Anschlussstellen führen. Vom Aufbau her einfacher und kompakter ist es aber, die Stromzuleitung über die am Heizkörper anliegenden Metallklötzchen vorzunehmen und die Anschlussdrähte elektrisch mit den Metallklötzchen zu verbinden. Hinsichtlich der Verlegung der elektrischen Anschlussdrähte ist es dabei bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 vorteilhaft, wenn man diese Anschlussdrähte 16, 17 oberhalb oder unterhalb des Heizkörpers 1 in die nutartige Ausnehmung 10 einfügt, wie Figur 3 zeigt. Dies bietet vor allem dann Vorteile, wenn das Heizelement passend in eine Ausnehmung eines Gehäuses bzw. eines zu erwärmenden Körpers einzufügen ist, wie dies Figur 4 zeigt.



  Um die Anschlussdrähte 16, 17 elektrisch mit den Metallklötzchen 9, 3 zu verbinden, kann man   z.B;    die blanken Enden dieser Anschlussdrähte mit den Metallklötzchen verschweissen. In der Regel genügt aber auch ein hinreichend festes Anpressen der blanken Enden an die Metallklötzchen, welche Technik bei der Ausführungsform nach Figur 4 vorliegt. Es sind dabei die mit  einer Isolierung umhüllten   AnschlussdrShte    16, 17 nebeneinan derliegend in den über dem Heizkörper 1 befindlichen Hohlraum eingezwängt geführt, und es ist das blanke Ende jedes dieser beiden Anschlussdrähte an ein Metallklötzchen angepresst.

  Die
Anschlussdrähte können dabei vorteilhaft, wie Figur 4 zeigt, nebeneinanderliegend geführt werden, wobei ein aus Isolierma terial bestehender Streifen 18 die beiden Anschlussdrähte 16, 17 elektrisch voneinander isoliert und gleichzeitig das ganze
Gebilde mechanisch abstützt.



   Um eine elektrische Isolierung zwischen dem Metallklötzchen 9 und dem Gehäuse 20 des Heizelementes 1 zu erhalten, ist bei der    Aus führungs form    nach Figur 4 zwischen der Aussenfläche des
Metallklötzchens 9 und dem Gehäuse 20 eine Isolierung 21 aus einer elektrisch isolierenden Folie vorgesehen. Das aus dem
Heizkörper 1, den Metallklötzchen und der Isolierung 21 be stehende Gebilde ist dabei eng passend in das Gehäuse 20 ein gefügt.



   Bei der   Aus führungs form    nach Figur 5 ist der Heizkörper 1 zwischen zwei plättchenförmige Metallklötzchen 2, 3 eingefügt, und es ist das so entstandene Gebilde unter Zwischenlage einer
Isolierung 21 in ein in Form einer metallenen   Schiene    22 gebildetes Gehäuse eingesetzt. Die Isolierung 21 kann dabei je nach den speziellen Erfordernissen ein- oder mehrlagig ausge bildet sein, und man kann auch, wie dies bereits in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt worden ist, zur Ausfüllung von Hohlräumen, die im Gebilde   vorliegens    eine   wärmeleitende    Masse vorsehen.



   Die Abmessungen des das Gehäuse bildenden U-Profiles 22 sind bei der Ausführungsform nach Figur 5 so gewählt, dass die Wände
23, 24 des Gehäuses elastisch'federnd an dem aus dem Heizkörper und den Metallklötzchen sowie der Isolierung bestehenden   Gebil-    de elastisch anliegen. Um dabei einen noch besseren Anpressdruck  zu erzielen und damit den Wärmeübergang vom Heizkörper 1 zu den Metallklötzchen 2, 3 und weiter durch die Isolierung 21 zum Metallgehäuse zu verbessern, ist eine Klammer 25 vorgesehen, die die Wände 23, 24 zusammendrückt.

 

  Bei der Ausführungsform nach Figur 6 ist wieder ein den Heizkörper 1 mit den daran anliegenden Metallplättchen 2, 3 und eine mehrlagige Isolierung 21 U-artig umgebendes Metallgehäuse vorgesehen, welches mit einer Metallplatte 25, die erwärmt werden soll, integriert ist. Auch in diesem Fall ist eine Feder 25 vorgesehen, die die Wände 23, 24 des Metallgehäuses zusammendrückt und dadurch ein inniges Anliegen der Metallplättchen 2, 3 am Heizkörper 1 und einen niedrigen Wärmewiderstand zwischen diesen Metallplättchen und dem Metallgehäuse sicherstellt. 

Claims (5)

  1. 1. Selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem in einer Umhüllung angeordneten Widerstands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, welcher Heizkörper zwischen zwei unmittelbar an seinen Seitenflächen angedrückt anliegende Metallklötzchen, die elektrisch voneinander isoliert sind, eingefügt ist, wobei die der Wärmeübertragung nach außen dienende Außenfläche dieser Metallklötzchen größer als die Berührungsfläche zwischen dem Heizkörper und den Metallklötzchen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Metallklötzchen (9) eine nutartige Ausnehmung (10) aufweist, in die der Heizkörper (1) und das zweite Metallklötzchen (3) eingefügt ist, wobei eine Seite des Heizkörpers (1) an der einen Seitenwand dieser Ausnehmung (10), die zweite Seite des Heizkörpers am zweiten Metallklötzchen (3) und das zweite Metallklötzchen (3) an der anderen Seite dieser Ausnehmung (10) anliegt, und zwis 1. Self-regulating heating element having at least one arranged in a sheath resistance heating element made of electrically conducting ceramic material having a positive temperature coefficient of electrical resistance, which radiator between two is inserted immediately on its side faces pressed adjacent metal blocks which are electrically insulated from each other, wherein the heat transfer outwardly serving outer surface of said metal blocks is greater than the contact area between the heater and the metal blocks, characterized in that the metal studs (9) has a groove-like recess (10) in which the radiator (1) and the second metal stud (3) is inserted, wherein a side of the radiator (1) on one side wall of this recess (10), the second side of the radiator on the second metal stud (3) and the second metal stud (3) on the other side of this recess (10) is applied, and zwis chen das zweite Metallklötzchen (3) und seine Anliegefläche an der nutartigen Ausnehmung (10) eine elektrische Isolierung (14) eingefügt ist, und dabei der Andruck der Metallklötzchen an den Heizkörper durch innerhalb der nutartigen Ausnehmung (10) aufgenommene Kräfte entsteht, oder daß das aus dem Heizkörper (1), den beiden Metallklötzchen und einer um die Außenfläche derselben angebrachten Isolierung bestehende Gebilde eng passend zwischen zusammendrückbare Wände (23, 24) eines Gehäuses eingefügt ist, welche von einer außen an diesen Wänden (23, 24) angreifenden Klammer (25) zur Erzeugung des Andrucks zwischen den Metallklötzchen und dem Heizkörper zusammengepreßt sind. Chen the second metal stud (3) and its abutment surface on the groove-like recess (10) an electrical insulation (14) is inserted, and thereby the pressure of the metal blocks to the radiator through inside the groove-like recess (10) recorded forces produced, or that the is made of the radiator (1), the two metal blocks and an existing around the outer surface thereof attached to the isolation structure snugly between compressible walls (23, 24) of a housing insert which engages by an externally on these walls (23, 24) clamp ( 25) are pressed together to produce the press sheet between the metal stud and the radiator.
  2. 2. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (1) mit dem zweiten Metallklötzchen (3) streng passend in die nutartige Ausnehmung (10) des ersten Metallklötzchens (9) eingepreßt ist und der Heizkörper durch diese Zwängung unter Druck an den Metallklötzchen anliegt. 2. Self-regulating heating element according to claim 1, characterized in that the heating body (1) with the second metal stud (3) strictly fit in the groove-like recess (10) of the first metal Klötzchens (9) is pressed and the radiator through this coercion under pressure to abuts the metal blocks.
  3. 3. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die nutartige Ausnehmung (10) oberhalb oder unterhalb des Heizkörpers (1) die elektrischen Anschlußdrähte (16, 17) eingefügt sind. 3. Self-regulating heating element according to claim 1 or 2, characterized in that in the groove-like recess (10) above or below the radiator (1), the electrical connecting wires (16, 17) are inserted.
  4. 4. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (16, 17) zur Bildung einer elektrischen Verbindung an das erste, die nutartige Ausnehmung (10) enthaltende Metallklötzchen (9) und an das zweite Metallklötzchen (3) angepreßt sind. 4. Self-regulating heating element according to claim 3, characterized in that the connecting wires (16, 17) containing for forming an electrical connection to the first, the groove-like recess (10) of metal blocks (9) and to the second metal blocks (3) are pressed.
  5. 5. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch zusammendrückbaren Gehäusewände (23, 24) mit einer zu erwärmenden Metallplatte (25) integriert sind. 5. Self-regulating heating element according to claim l, characterized in that the resiliently compressible housing walls (23, 24) are integrated with a metal plate to be heated (25).
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