EP0282085B1

EP0282085B1 - Heizelement zum Erwärmen strömender Medien

Info

Publication number: EP0282085B1
Application number: EP88103909A
Authority: EP
Inventors: Helmut Schwarzl; Josef Dipl.-Ing. Unterlass
Original assignee: Siemens Bauelemente OHG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Bauelemente OHG; Siemens AG
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1991-01-09
Anticipated expiration: 2008-03-11
Also published as: US4899032A; BR8801118A; ES2019420B3; DE3861475D1; ATE59897T1; KR880012116A; EP0282085A1

Description

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 hohen Anteil dieser Metalle bestehender, mit regelmäßig angeordneten, in Strömungsrichtung sich geringfügig konisch verjüngenden Durchlaßöffnungen versehener Metallkörper dient, bei dem das Volumen sämtlicher zwischen den Durchlaßöffnungen befindlicher Teile des Metallkörpers gleich oder größer als das Volumen sämtlicher Durchlaßöffnungen 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.
Es ist bekannt, als Heizelement einen keramischen Kaltleiter, auch PTC-Widerstand genannt, zu benutzen. Ein Kaltleiter besteht aus dotiertem polykristallinem Keramikmaterial mit Perowskitstruktur 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 et sich auf, bis er die Curietemperatur erreich 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 Heizelement mit Selbstregelungseffekt. Ein Überhitzen und folglich eine Zerstörung eines solchen Heizelementes ist damit ausgeschlossen.
Wie schon erwähnt, kann die Maximaltemperatur des Heizelementes über die Materialzusammensetzung gezielt eingestellt werden. Gegenwärtig sind Temperaturen bis zu 320°C realisierbar.
In der Regel werden Kaltleiter als Scheiben oder in Form dünner Platten hergestellt, auf denen an zwei gegenüberliegenden grossen Flächen sperrschichtfreie Metallelektroden aufgebracht werden, 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 Medien ist bekannt. So ist in der DE-PS 28 04 818 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 wesentlichen zylinderförmigen Anordnung erganzenden Zylindersektoren aufgebaut ist, wobei die Zylindersektoren durch einen Zylindermantel umfangsseitig miteinander verspannt sind und die Heizelemente zwischen einander zugewandten Flächen benachbarter Zylindersektoren angeordnet sind und durch den Druck an die Zylindersektoren gepreßt werden.
Um eine elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Zylindersektor zu erzielen, befindet sich zwischen dem Heizelement und dem Zylindersektor eine Aluminiumoxidkeramik. Eventuell vorhandene Zwischenräume, die durch die Aluminiumoxidkeramik nicht ausgefüllt werden, sind mit einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Füllmasse, wie beispielsweise Silikonkautschuk, umgossen.
Aus der DE-OS-31 19 302 ist eine Luftheizvorrichtung bekannt. Die wärmeabstrahlenden Anordnungen aus Metall stehen hierbei in Berührung mit den Oberflächen der Elektroden der jeweiligen Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Heizelemente können dabei zwischen zwei Abstrahlungsanordnungen durch wärmebeständige und wärmeleitfähige Silikonkleberschichten eingespannt sein, und die vorstehenden Teile der Elektroden der Heizelemente können durch Leitungsdrähte an elektrisch leitfähige Klebstoffschichten angeschlossen sein. Es ist aber auch möglich, durch einen wärmebeständigen und elektrisch leitfähigen Klebstoff die elektrischen Verbindungsdrähte unmittelbar an die Abstrahlungsanordnungen anzuschließen.
Elektrisch und thermisch leitfähige Klebstoffe für höhere Betriebstemperaturen sind beispielsweise in der US-PS-3-898-422 beschrieben. Allerdings wird dort das PIC-Heizelement nur einseitig an das aufzuheizende Objekt mit einem solchen Klebstoff angeklebt, während die zweite Seite des PTC-Heizelementes über eine Klemmfeder kontaktiert wird.
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 aufzuheizende Medium stromt. 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 Wärmeübertragungskörper über eine zusätzliche Zwischenlage vom PTC-Element elektrisch isoliert. Um die PTC-Elemente vor dem zu erwärmenden Medium zu schützen, können sie von einem Ring aus Kunststoff umgeben sein. Um jedoch die klemmende Wirkung einer Schraubverbindung 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 Olvorwärmung 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 erwärmenden Medium nur einen geringen Stromungswiderstand 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 Einzelkörpern, 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 Einzelkörper 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 Einzelkörper 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 thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das als Wärmetauscher dienende Metall.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der den Metallkörper bildenden Einzelkörper mit einer die Umfangsfläche desselben ringförmig umschließenden Umhüllung versehen ist.
Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, 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.-% 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 Metallkörpers 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 Durchla-βöffnungen 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 Kuststoff gefüllt ist und einen Steg darstellt.
Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Steges die Kunststofffüllungen der beiden Durchläßöffnungen beidseitig über den Metallkörper hinausragen und diese herausragenden Enden durch dasselbe Kunststoffmaterial miteinander verbunden sind.
Eine weitere Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch gekennzeichnet, 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 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen einander diametral gegenüberstehen und als Stifte so ausgebildet sind, 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 Einla-βöffnungen 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 sehr guter thermischer Kontakt zwischen dem PTC-Element und dem Wärmetauscher besteht, wodurch sowohl die erzeugte Wärme optimal ausgekoppelt, als auch eine bessere Rückkoppelung auf die Selbstregelung 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 nur 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 vorliegenden 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 Sekunden, Haltezeit 2 Minuten, Abkühlung in 3 Minuten auf Raumtemperatur, dann erneuter Zyklus) 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,
Fig. 2 eine Seitenansicht desselben Heizelementes,
Fig. 3 einen Schnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 5 eine Draufsicht auf das geschnittene Heizelement,
Fig. 6 einen weiteren Querschnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 7 einen Teilausschnitt des Heizelementes,
Fig. 8 Durchlaßkanäle im Detail,
Fig. 9 eine drehbare Ausführung des Heizelementes,
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein Heizelement mit Stromzuführungslaschen,
Fig. 11 einen Schnitt des Heizelementes mit Stromzuführungslaschen.

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 1, 2, die eine Vielzahl von Durchla-βöffnungen 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 Kunststoffumhüllung 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 Einfräsung 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 Einzelkörper 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 ringförmigen 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 Wärmedämmung 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 Schmitt zeigt eine der Möglichkeiten zur gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1, 2. Die unmittelbar an der Verbindungsebene gelegenen Durchlaßöffnungen, die durch den Steg 4 verbunden werden sollen, besitzten 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, ein Verbindungskanal 8 zwischen den jeweiligen Öffnungen entsteht. Dieser 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.
In Fig. 4 ist eine andere Seitenansicht mit einem Teilschnitt gezeigt. Man erkennt die ringförmige Umhüllung 7, sowie den beidseitig zweier Durchlaßöffnungen vorhandenen Steg 6, der zur gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkorper 1 und 2 dient. Der Schnitt durch eine größere Anzahl von Durchlaßöffnungen 3, die sich im Einzelkörper 1 befinden, läßt deutlich die scharfe Kante 4 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 Durchla-βöffnungen 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 14 umschlossen sind.
In Fig. 6 ist das Heizelement aus Fig. 1 längs der Linien VI-VI gezeigt. Bei diesen Durchläßöffnungen 3 sind hier keine konischen Einlaßaufweitungen gezeigt. Die das Loch 10 aus Fig. 5 vollständig ausfüllende Kunststoffüllung 13 geht nahtlos in den aus 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 Durchläßöffnungen 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 des 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 Kontakt 21, 22 als Montageelement für die Positionierung des Heizelementes in einer spezielle 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 runde Scheibe). Im Betriebsfall wird das Heizelement um 90° gedreht und steht somit quer zur Strömung A. Bei Anlegen der Betriebsspannung wird die einströmende Luft erwärmt.
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 Heizelementes eine besondere Ausgestaltung der ringförmigen Umhüllung 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 wird eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Rohrleitungssystem 19 und dem Heizelement erreicht.
Nachfolgend werden einige technische Daten bezüglich des Aufbaus und der Anwendungsmöglichkeiten 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:
Temperaturbeständigkeit mindestens 250°C,

ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Widerstand maximal 0,001 Ohmxcm,
hervorragende Wärmeleitfähigkeit, mindestens 12 W/mK,
lineare Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 60 bis 80x10-⁶ I/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 Einzelkörper minimieren. Weiterhin soll er die Einzelkörper gegen eine eventuell elektrisch leitende Rohrwandung isolieren und erforderlichenfalls auch als thermische Isolierung dienen. Damit ergeben sich folgende Forderungen an den Kunststoff:

Temperaturbeständigkeit mindestens 250°C,
lineare Wärmeausdehnungskoeffizient maximal 22x10-¹ I/K,
Brennbarkeit nach UL 94 V/O (UL: gemäß Vorschriften der Underwriters Laboratories Inc.), d.h. selbstlöschend,
Resistenz gegenüber dem zu erwärmenden Medium,

Zugfestkgkeit 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 Druckgußverfahren 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 ist bei der Anwendung jedoch, daß das strömende Medium höchstens eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen darf, um einen Kurzschluß zwischen den Einzelkorpern zu vermeiden.
Zur Verringerung des Strömungswiderstandes besitzen die Einzelkörper eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Durchlässe, die einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Die lichte Weite nimmt dabei von der Einlaßseite mit einem konstanten Krümmungsradius bis zu maxial 1/3 der Durchlaßlänge ab und bleibt anschließend bis zur Auslaßseite konstant oder weist über die gesamte Dicke des Körpers höchstens eine Konizität von zwei Winkelgraden 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 Draufsicht auf die Durchlässe zeigt dann eine wabenähnliche Form mit einer Vielzahl einzelner Sechseckstrukturen.
Das Volumen sämtlicher zwischen den Durchlässen befindlicher Teile des Metallkörpers 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 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.

Bezugszeichenliste

1 Einzelkörper
2 Einzelkörper
3 Durchlaßöffnung
4 Steg
5 scharfe Kante
6 Steg
7 ringförmige Umhüllung
8 Verbindungskanal
9 Öffnung für Steg
10 Öffnung für Steg
11 Kaltleiter
12 Belegung des Kaltleiters
13 Kunststoffüllung
14 Kunststoffumhüllung des Kaltleiters 15 Kleber
16 ringförmige Umhüllung
17 Stromzuführungslasche
18 Stromzuführungslasche
19 Rohrleitungssystem
20 Dichtring
21 Stromzuführungsstift
22 Stromzuführungsstift
23 Drehhebel
24 Hülse
25 Einbaufassung
26 Dichtkante

Claims

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 Durchlaßöffnungen (3) versehener Metallkörper dient, bei dem das Volumen sämtlicher, zwischen den Durchlaßöffnungen (3) befindlicher Teile des Metallkörpers gleich oder größer als das Volumen sämtlicher Durchlaßöffnungen (3) ist, der Metallkörper mit scheibenförmigen, 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), insbesondere Sektoren oder Segmenten, die gleichzeitig als Stromzuführungen 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 Durchla-βöffnungen paarweise durch wenigstens einen Steg (4,6) aus dem gleichen Kunststoff verbindet,

d) der Hohlraum, der zwischen zwei Grenzflächen benachbarter Einzelkörper (1, 2) um die Kaltleiter (11) und den Kleber (15) herum verbleibt, ist mit die Kaltleiter (11) vollständig umhüllendem, elektrisch isolierendem Kunststoff (14) gefüllt,

e) der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper (1, 2) und für die Umhüllung (14) der Kaltleiter (11) sowie zur Füllung der Hohlräume besitzt vollständig oder nahezu 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 Umfangsfläche desselben ringförmig umschließenden Umhüllung (7) versehen ist.

3. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper (1, 2), für die Umhüllung (14) der Kaltleiter (11), zur Füllung der Hohlräume für die ringförmige Umhüllung (7) des Metallkörpers aus zu 30 bis 50 Gew.-% 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 gekennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der ringförmigen Umhüllung (7) des Metallkörpers für einen späternen 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 einen 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 herausragenden Enden durch dasselbe Kunststoffmaterial miteinander verbunden sind.

7. Heizelement 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 gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen einander diametral gegenüberstehen und als Stifte (21, 22) so ausgebildet sind, daß das Heizelement nach Einbau in ein Rohrleitungssystem (19) drehbar ist.

10. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Strömungswiderstandes sich auf der Einlaßseite der Einzelkörper (1, 2) konische Einaßöffnungen so überschneiden, daß aneinander grenzende Durchlaßöffnungen (3) durch scharfe Kanten (5) voneinander getrennt sind.