EP1523224A1 - Elektrische Heizpatrone - Google Patents

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EP1523224A1
EP1523224A1 EP03020876A EP03020876A EP1523224A1 EP 1523224 A1 EP1523224 A1 EP 1523224A1 EP 03020876 A EP03020876 A EP 03020876A EP 03020876 A EP03020876 A EP 03020876A EP 1523224 A1 EP1523224 A1 EP 1523224A1
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EP
European Patent Office
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housing body
immersion heater
electric
heating cartridge
heating
Prior art date
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Granted
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EP03020876A
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English (en)
French (fr)
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EP1523224B1 (de
EP1523224B2 (de
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Thomas Gschwind
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DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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Application filed by DBK David and Baader GmbH filed Critical DBK David and Baader GmbH
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Priority to AT03020876T priority patent/ATE318065T1/de
Priority to EP03020876A priority patent/EP1523224B2/de
Publication of EP1523224A1 publication Critical patent/EP1523224A1/de
Publication of EP1523224B1 publication Critical patent/EP1523224B1/de
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention relates to an electric heating cartridge, in particular for heating of liquid and / or gaseous media, with at least one PTC element, the two At least one PTC element associated electrode bodies, which in a relative to the electrode bodies by at least one insulating electrically isolated housing body received under a bias compressed are.
  • Cartridges of this type are characterized by their small construction and thus, that they are both heating and temperature control at the same time.
  • These Dual function is achieved through the use of PTC elements (Positive-Temperature-Coefficient), so-called PTC thermistors, achieved.
  • a PTC element has the property only to heat up to a predetermined limit temperature. From this limit temperature The electrical resistance increases suddenly, so that the PTC element is not continues to heat. PTC elements are therefore self-regulating and require no additional Temperature control. It is possible to use PTC elements for different electrical To produce voltages and different limit temperatures.
  • a structurally simple design which is essentially the actual PTC element and includes two electrode body, and a simple power supply via a sauadriges cable is the relatively small design of the heating cartridges to realize.
  • heating cartridges of the type mentioned various applications such as in the industry, medical technology or else in the household. They are used, for example, in laminators, inhalers and in used in automotive engineering.
  • a heating cartridge of the prior art for example, in DE 202 12 580th U1 described.
  • the power supply takes place over the housing body of the heating cartridge. For this reason, the Heating cartridge not for use in electrically conductive or electrically dissociating Media.
  • Another heating cartridge is described in DE 197 37 241 C2.
  • two PTC elements with two electrode bodies, which together in several insulating elements are embedded, received biased in a housing body made of metal.
  • the Insulating elements are in this case made of an elastic metal oxide, which is pre-pressed are and bias the components within the housing body.
  • a disadvantage of the immersion heater of DE 197 37 241 C2 is that the metal oxide itself temperature-dependent expands, so that different depending on the temperature Preload forces are generated. As a result, the heated by the heating cartridge to the to be heated medium emitted heat energy at different Temperatures.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a heating cartridge, wherein the at the medium to be heated heat energy also at Temperature variations is substantially constant.
  • the housing body serves as a spring element, can be generated over wide temperature ranges, a uniform biasing force.
  • the temperature dependence of the housing body seems produced biasing force to be less pronounced than in the embodiment of Insulator as spring elements.
  • the thus improved heating device may be different from each other independent and each for themselves advantageous developments to be further developed as explained below.
  • the housing body made of an elastic Material be designed. This has the advantage that the housing body elastic is deformable and thereby generates the bias in the interior of the housing body can be.
  • the Housing body be made substantially cup-shaped. This requires the Heating cartridge according to the invention are closed only on one side, resulting in reduce the cost of mounting the heating cartridge and the number of items.
  • the substantially cup-shaped housing body may also consist of a be made thin-walled material, e.g. by deep drawing. This will be the one the housing body elastic and on the other he can thereby generated Better conduct heat energy to the outside.
  • the shape of the pot-shaped housing body is not limited and may e.g. cylindrical, but also four-, six- or octagonal be executed.
  • the housing body in an advantageous Training of a corrosion resistant material, e.g. a metal, made his.
  • a corrosion resistant material e.g. a metal
  • the housing body also also made of an acid-resistant material be made.
  • the at least one insulating element in an advantageous embodiment a relative to the housing body inelastic plastic film, in particular from a polyimide film to be made.
  • This material is especially good because it has a offers good electrical insulation and on the other hand is particularly thermally conductive.
  • the Polyimide film may be, for example, a Kapton film.
  • the electrode body can each one Have contact element through which the electrode body to a voltage source can be connected.
  • the contact elements can be used as a welding contact or as a plug can be made to provide a good connectivity.
  • the Electrode bodies are also usually made of a thermally conductive material, in particular a metal.
  • the heating cartridge according to the invention can at least have two heat conductive pressure body, which has a spring force of the Housing body in the direction of at least one PTC element transmitting are formed.
  • the pressure bodies from a cost-effective, easy to manufacture thermally conductive material, e.g. extruded aluminum, can be made and so fill the housing body, transfer heat and the Guide the spring force inwards.
  • the cost-effective components such as PTC element, Electrode body and insulating can thereby smaller and thereby be material-saving, which leads to the reduction of material costs.
  • the Pressure bodies can in particular between the housing body and the PTC element be arranged. You can also sandwich the PTC element. Furthermore, the pressure bodies can be designed as electrode body. You can in a development also be surrounded by the insulating.
  • the width of a stack of the pressure bodies, the at least one Insulating element, the electrode bodies and the at least one PTC element in one advantageous development be greater than the clear width of the housing body.
  • the heating cartridge can be at least one Have closure element through which the housing body substantially fluid-tight is closed.
  • closure element in a further advantageous embodiment be made of a permanently elastic material, in particular an elastomer.
  • permanently elastic material is resistant to aging and also at Temperature fluctuations neither break nor become porous.
  • the closure element accordingly be designed corrosion and / or acid resistant.
  • the housing body with a Locking means be configured, in which the closure element with a corresponding Counter-latch engages positively.
  • the closure element is simple Way fixed in the housing body.
  • the locking means of the housing body e.g. in a tubular receiving device be attached. By the locking means of the housing body and thus the Heating cartridge held by friction or positive engagement in the receiving device.
  • the closure element can in an advantageous development with a Be holding means designed which is formed axially securing the pressure body.
  • the heating cartridge can be at least one Connection element, through which the electrode body with a voltage source are connectable.
  • the at least a connecting element also be designed as a fastening element and the Keep the heating cartridge in the medium to be heated. This allows the heating cartridge e.g. when heating a liquid medium directly and without receiving device in be attached to this, held by the connection element.
  • the closure element at least have a sealed opening, through each of which a connection element extends.
  • the Closing element may be formed as a part of a plug-in, in the For example, a plug element for powering the heating cartridge can be inserted.
  • the plug-in connection for use of the immersion heater in liquids executed fluid-tight.
  • the housing body 2 is in Fig. 1 by way of example pot-shaped, whereby the heating element 1 at the bottom of the 4 Housing body 2 is automatically closed.
  • the housing body 2 is cylindrical and thus z. B. in a tubular receiving device in a plug E insertable.
  • the heating cartridge 1 can be up to a flange-shaped stop 5 are inserted into the receiving device. Below the stop 5 is located on the housing body 2, a locking means 6 in the form of a hollow bead. By the Locking means 6, the heating cartridge 1 is fixed in the receiving device.
  • the fixation can be achieved in that the outer diameter of the locking means 6 is greater as the inner diameter of the receiving device, whereby the heating cartridge 1 is frictionally fixed in the receiving device.
  • the Receiving device has a recess into which the locking means 6 positively snaps into place and thus fixes the heating cartridge 1.
  • the locking means 6 is shown in Fig. 1 by way of example the entire circumference of the housing body 2 shown circumferentially. But it is also possible that the locking means 6, for example, only partially on the Scope of the housing body 2 is executed.
  • connection elements 3 e.g. in the form of a plug-in, exit at the top the housing body 2 for connecting the heating element 1 to a voltage source (not shown) out.
  • connecting elements 3 is also a Another possibility for mounting the heating element according to the invention 1.
  • This is the Connection elements 3 made of a flexible material bendable.
  • the Connection elements 3 serve in this embodiment as fastening elements and the Heating cartridge 1, hanging on the connecting elements 3, directly in the zu placed in a heated medium. By manually bending the connection elements 3, the position of the heating cartridge 1 can be varied.
  • the housing body 2 made of a corrosion and acid resistant material, e.g. one Metal, made.
  • Fig. 2 shows an example of the embodiment of the heating cartridge 1 according to the invention Fig. 1 in full section 1, whereby the components in the interior of the housing body 2 in built-in state become visible.
  • the inventive Heating cartridge 1 inside the housing body 2 a stack of two pressure bodies 7, an insulating member 8, two electrode bodies 9 and a PTC element 10.
  • the PTC element 10 is in one position within the housing body 2, in which it can take the greatest possible length. This position is, for example, in a housing body with a circular cross section Diameter and in a body with polygonal cross-section a diagonal.
  • the two electrode bodies 9 are substantially as thin, preferably rectangular plates are formed and have at least the same plate surface as that PTC element 10 so that they PTC element 10 on the entire plate surface with Supply electricity and dissipate the generated heat well.
  • the electrode body 9 are each via a connection element 3 with a voltage source (not shown) connected. In Fig. 2, only one of two connection elements 3 is shown, since the other connection element 3, the second electrode body with the voltage source connects, not shown in the heating cartridge 1 is located.
  • the connection elements 3 and the electrode body 9 may be configured in one piece.
  • the insulating element 8 Insulates the electrode body 9 and the PTC element 10 electrically opposite to the But to a good heat conduction from the PTC element 10 or the electrode bodies 9 to ensure the pressure bodies 7 is the insulating member 8 made of a thermally conductive material.
  • the insulating element 8 is made of a polyimide film, in particular from a Kapton film.
  • the PTC element 10, the electrode body 9 and the insulating body 8 are between the sandwiched two semicircular pressure bodies 7.
  • the pressure body 7 are for good heat transfer from a thermally conductive material, e.g. out Aluminum, manufactured and are completely on the electrode bodies 9 and on the Insulating element 8 at.
  • the stack 7, 8, 9, 10 is located inside the housing body 2 and is under a bias, since the width of the stack is greater than the clear Width of the housing body 2, whereby the wall of the housing body 2 elastic is deflected outwards and thereby the bias in the interior of the Housing body 2 is created.
  • the bias presses the two pressure body 7 in one Direction of action F together.
  • the pressure bodies 7 in turn push the insulating element 8, the electrode body 9 and the PTC element 10 centered together.
  • the housing body 2 at the upper end of a Closing element 11 is closed.
  • the closure element 11 seals the Housing body 2 fluid-tight, so that e.g. a fluid to be heated not in the interior the heating cartridge 1 can get.
  • the closure element 11 has a widening, in the installed state positively in the locking means 6 of the housing body. 2 engages and fixes the closure element 11.
  • the closure element has 11 a stop flange 12, which in the installed state to the stop 5 of Housing body 2 applies.
  • the elastomer also offers the advantage that the closure element Temperature fluctuations compared to dimensionally stable, does not age and therefore not is leaking.
  • the elastomer can also be cast directly into the housing body 2 and harden therein, whereby an optimal positive engagement with the inner surface of the Housing body 2 is reached.
  • the closure element 11 has two sealed Openings through which the connection elements 3 lead.
  • the Closing element 11 form a part of a fluid-tight connector in itself, in the one counterpart of the connector for powering the heating element is pluggable.
  • the connecting elements 3 are also by the Closing element 11 sealed.
  • the closure element 11 may be suitable for use in corrosive media be made of a corrosion resistant material.
  • a holding means 13 executed. In the installed state limits the holding means 13, the pressure body 7. The pressure body 7 are thus in their axial position on one side by a shoulder at the end of the housing body. 2 and fixed on the other side by the holding means 13 of the closure element 11.
  • At the bottom 4 of the housing body 2 is located between the housing body 2 and the Pressure bodies 7 an air-filled space, which forms an insulating layer and a Heat emission down, for example, when heating a solid, reduced.
  • Fig. 3 shows the electric heating element 1 of the invention according to FIGS. 1 and 2 in one Exploded view.
  • the electric heating cartridge 1 comprises the housing body 2, in the two semi-circular pressure body 7 are added. Between the two Pressure bodies 7 is the PTC element 10, which on each side of a Electrode body 9 is surrounded, and both are enclosed by the insulating element 8.
  • the insulating element 8 in this exemplary illustration pocket-shaped around the PTC element 10 and the electrode body 9 around is. This ensures electrical insulation of the electrode body 9 and the PTC element 10 on five sides.
  • PTC element 10 and the electrode body 9 are in the Insertion direction E inserted into the pocket-shaped insulator 8.
  • the Electrode bodies 9 each comprise a contact element 14, on which the Connection element 3 is attached. The connection is usually done by soldering or welding, but also a pluggable connection is conceivable.
  • the heating cartridge 1 by the closure member 11 after completed at the top.
  • the individual components are used in the assembly of the Heating cartridge 1 introduced in the insertion direction E in the housing body 2.
  • a tubular, open on both sides housing body to be used on both Side has a closure element.
  • This embodiment may be advantageous to the inventive Heating cartridge, for example, in a fluid flow from two sides through the two Hang connecting elements 3 and without receiving device.
  • the insulating element 8 between the pressure bodies 7 and arranged the housing body 2, wherein the pressure bodies do not touch and as Electrode body can be configured.
  • a single pressure body or a plurality of pressure bodies used become.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizpatrone (1), insbesondere zum Beheizen von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit mindestens einem PTC-Element (10), zwei dem mindestens einen PTC-Element (10) zugeordneten Elektrodenkörpern (9), die in einem gegenüber den Elektrodenkörpern (9) durch mindestens ein Isolierelement (8) elektrisch isolierten Gehäusekörper (2) unter einer Vorspannung zusammengedrückt aufgenommen sind. Um eine Heizpatrone zu liefern, bei der die an das zu beheizende Medium abgegebene Wärmeenergie auch bei Temperaturschwankungen im Wesentlichen konstant ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Gehäusekörper (2) als ein die Vorspannung erzeugendes Federelement ausgestaltet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizpatrone, insbesondere zum Beheizen von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit mindestens einem PTC-Element, zwei dem mindestens einen PTC-Element zugeordneten Elektrodenkörpern, die in einem gegenüber den Elektrodenkörpern durch mindestens ein Isolierelement elektrisch isolierten Gehäusekörper unter einer Vorspannung zusammengedrückt aufgenommen sind.
Heizpatronen dieser Art zeichnen sich durch ihre kleine Bauweise aus und dadurch, dass sie sowohl Heizung als gleichzeitig Temperatursteuerung sind. Diese Doppelfunktion wird durch den Einsatz von PTC-Elementen (Positive-Temperature-Coefficient), so genannten Kaltleitern, erreicht. Ein PTC-Element hat die Eigenschaft, nur bis zu einer vorbestimmten Grenztemperatur zu heizen. Ab dieser Grenztemperatur erhöht sich der elektrische Widerstand sprungartig, so dass das PTC-Element nicht weiter heizt. PTC-Elemente sind dadurch selbstregelnd und bedürfen keiner zusätzlichen Temperatursteuerung. Es ist möglich, PTC-Elemente für verschiedene elektrische Spannungen und unterschiedliche Grenztemperaturen herzustellen. Durch eine konstruktiv einfache Bauweise, die im Wesentlichen das eigentliche PTC-Element und zwei Elektrodenkörper umfasst, und eine einfache Stromversorgung über ein zweiadriges Kabel ist die relativ kleine Bauweise der Heizpatronen zu realisieren.
Durch die beschriebenen Eigenschaften haben Heizpatronen der genannten Art vielfältige Anwendungsbereiche, wie z.B. in der Industrie, der Medizintechnik oder auch im Haushalt. Sie werden beispielsweise in Laminiergeräten, Inhalationsgeräten und in der Automobiltechnik verwendet.
Eine Heizpatrone aus dem Stand der Technik ist beispielsweise in der DE 202 12 580 U1 beschrieben. Bei der Heizpatrone der DE 202 12 580 U1 erfolgt die Stromversorgung über den Gehäusekörper der Heizpatrone. Aus diesem Grund eignet sich die Heizpatrone nicht zum Einsatz in elektrisch leitenden oder elektrisch dissoziierenden Medien.
Eine weitere Heizpatrone ist in der DE 197 37 241 C2 beschrieben. Hierbei sind zwei PTC-Elemente mit zwei Elektrodenkörpern, die zusammen in mehreren Isolierelementen eingebettet sind, in einem Gehäusekörper aus Metall vorgespannt aufgenommen. Die Isolierelemente sind hierbei aus einem elastischen Metalloxid hergestellt, die vorgepresst sind und die Komponenten innerhalb des Gehäusekörpers vorspannen.
Nachteilig bei der Heizpatrone der DE 197 37 241 C2 ist, dass das Metalloxid sich temperaturabhängig ausdehnt, so dass je nach Temperatur unterschiedliche Vorspannkräfte erzeugt werden. Hierdurch schwankt die durch die Heizpatrone an das zu beheizende Medium abgegebene Wärmeenergie bei unterschiedlichen Temperaturen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizpatrone zu liefern, bei der die an das zu beheizende Medium abgegebene Wärmeenergie auch bei Temperaturschwankungen im Wesentlichen konstant ist.
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Heizpatrone erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gehäusekörper als ein die Vorspannung erzeugendes Federelement ausgestaltet ist.
Diese Lösung ist konstruktiv einfach und eine so ausgeführte Heizpatrone kann kostengünstig produziert werden.
Durch die von dem Gehäusekörper aufgebrachte Vorspannung werden die Komponenten innerhalb des Gehäusekörpers zusammengedrückt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Wärmeleitflächen von dem Gehäusekörper und den inneren Komponenten aneinander anliegen und dadurch eine zuvor berechnete abzugebende Wärmeenergie an das zu beheizende Medium übertragbar ist. Dadurch, dass im Gegensatz zum Stand der Technik nunmehr der Gehäusekörper als Federelement dient, kann über weite Temperaturbereiche eine gleichmäßige Vorspannkraft erzeugt werden. Überraschenderweise scheint die Temperaturabhängigkeit der vom Gehäusekörper erzeugten Vorspannkraft geringer ausgeprägt zu sein als bei der Ausgestaltung der Isolierkörper als Federelemente. Eine Ursache dafür könnte in der geringen Wandstärke des Gehäusekörpers liegen. Dies gewährleistet ein sicheres Anliegen der Wärmeleitflächen der Komponenten aneinander.
Die solchermaßen verbesserte Heizvorrichtung kann durch verschiedene, voneinander unabhängige und jeweils für sich vorteilhafte Weiterbildungen weiter entwickelt werden, wie sie im Folgenden erläutert sind.
So kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gehäusekörper aus einem elastischen Material ausgestaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass der Gehäusekörper elastisch verformbar ist und dadurch die Vorspannung im Inneren des Gehäusekörpers erzeugt werden kann.
Um dem Gehäusekörper eine besonders vorteilhafte Form zu geben, kann der Gehäusekörper im Wesentlichen topfförmig hergestellt sein. Hierdurch muss die erfindungsgemäße Heizpatrone nur an einer Seite verschlossen werden, wodurch sich der Aufwand bei der Montage der Heizpatrone und die Anzahl der Einzelteile reduzieren. Der im Wesentlichen topfförmige Gehäusekörper kann außerdem aus einem dünnwandigen Material hergestellt sein, z.B. durch Tiefziehen. Hierdurch wird zum einen der Gehäusekörper elastischer und zum anderen kann er dadurch die erzeugte Wärmeenergie besser nach außen leiten. Die Form des topfförmigen Gehäusekörpers ist nicht beschränkt und kann z.B. zylindrisch, aber auch vier-, sechs- oder achteckig ausgeführt sein.
Um die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Heizpatrone zu erhöhen und ihren möglichen Einsatzbereich zu vergrößern, kann der Gehäusekörper in einer vorteilhaften Weiterbildung aus einem korrosionsbeständigen Material, z.B. einem Metall, gefertigt sein. Um die Heizpatrone außerdem für aggressive flüssige Medien verwenden zu können, kann der Gehäusekörper ferner auch aus einem säurebeständigen Material gefertigt sein.
Ferner kann das mindestens eine Isolierelement in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einer gegenüber dem Gehäusekörper inelastischen Kunststofffolie, insbesondere aus einer Polyimidfolie, gefertigt sein. Dies Material eignet sich besonders gut, weil es eine gute elektrische Isolierung bietet und zum anderen besonders wärmeleitfähig ist. Die Polyimidfolie kann beispielsweise eine Kaptonfolie sein. Dadurch, dass das Isolierelement gegenüber dem Gehäusekörper inelastisch ausgeführt ist, wird die Vorspannung gut auf die Elektrodenkörper und das PTC-Element weitergegeben. Die Ausgestaltung als dünnwandige Folie verstärkt hierbei die Inelastizität des Isolierelements, so dass die Federkraft nahezu ausschließlich vom Gehäusekörper erzeugt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Elektrodenkörper jeweils ein Kontaktelement aufweisen, durch das die Elektrodenkörper an eine Spannungsquelle anschließbar sind. Die Kontaktelemente können als ein Schweißkontakt oder auch als ein Stecker ausgeführt sein, um eine gute Anschlussmöglichkeit zu bieten. Die Elektrodenkörper sind ferner üblicherweise aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall, hergestellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Heizpatrone wenigstens zwei wärmeleitende Druckkörper aufweisen, die eine Federkraft von dem Gehäusekörper in Richtung des mindestens einem PTC-Elements übertragend ausgeformt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Druckkörper aus einem kostengünstigen, leicht zu fertigenden wärmeleitfähigen Material, z.B. stranggepresstes Aluminium, hergestellt sein können und so den Gehäusekörper ausfüllen, Wärme übertragen und die Federkraft nach innen leiten. Die kosteneffektiven Komponenten, wie PTC-Element, Elektrodenkörper und Isolierelement können hierdurch kleiner und dadurch materialsparend ausgeführt sein, was zur Reduzierung der Materialkosten führt. Die Druckkörper können insbesondere zwischen dem Gehäusekörper und dem PTC-Element angeordnet sein. Sie können ferner das PTC-Element sandwichartig umgeben. Ferner können die Druckkörper als Elektrodenkörper ausgestaltet sein. Sie können in einer Weiterbildung auch von dem Isolierelement umgeben sein.
Ferner kann die Breite eines Stapels aus den Druckkörpern, dem wenigstens einen Isolierelement, den Elektrodenkörpern und dem mindestens einen PTC-Element in einer vorteilhaften Weiterbildung größer sein als die lichte Weite des Gehäusekörpers. Hierdurch wird beim Einschieben des Stapels in den Gehäusekörper während der Montage der Heizpatrone der Gehäusekörper elastisch aufgeweitet. Durch diese elastische Aufweitung wird die gewünschte Vorspannung im Inneren der Heizpatrone erzeugt. Durch die Größe des Übermaßes von der Breite des Stapels und der lichten Weite des Gehäusekörpers kann die Größe der Vorspannung vorbestimmt werden. Um sicherzustellen, dass die Vorspannkraft im Wesentlichen oder nahezu ausschließlich vom Gehäusekörper erzeugt wird, ist, unter Berücksichtigung der jeweiligen Dicken, die Elastizität der Druckkörper kleiner bemessen als die des Gehäusekörpers. Aufgrund der höheren Elastizität bleiben die Druckkörper unter Wirkung der Vorspannkraft daher im Wesentlichen unverformt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Heizpatrone mindestens ein Verschlusselement aufweisen, durch das der Gehäusekörper im Wesentlichen fluiddicht verschlossen ist. Hierdurch ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Heizpatrone in flüssigen oder gasförmigen Medien möglich. Das Innere des Gehäusekörpers der erfindungsgemäßen Heizpatrone ist so außerdem vor Verschmutzung geschützt, wodurch ein Einsatz auch in sehr schmutzigen Umgebungen möglich ist.
Außerdem kann das Verschlusselement in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aus einem dauerelastischen Material, insbesondere einem Elastomer, hergestellt sein. Dies ist von Vorteil, weil dauerelastisches Material alterungsbeständig ist und auch bei Temperaturschwankungen weder bricht noch porös wird. Zum Einsatz in korrosiven, alkalischen und/oder säurehaltigen Fluiden kann das Verschlusselement entsprechend korrosions- und/oder säurebeständig ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Gehäusekörper mit einem Rastmittel ausgestaltet sein, in das das Verschlusselement mit einer entsprechenden Gegenraste formschlüssig einrastet. Hierdurch wird das Verschlusselement auf einfache Weise in dem Gehäusekörper fixiert. Ferner kann durch die außenseitige Verwendung des Rastmittels der Gehäusekörper z.B. in eine rohrförmige Aufnahmeeinrichtung befestigt werden. Durch das Rastmittel wird der Gehäusekörper und damit die Heizpatrone durch Reibschluss oder Formschluss in der Aufnahmeeinrichtung gehalten.
Um die Komponenten im Inneren des Gehäusekörpers gegen ein Verschieben zu sichern, kann das Verschlusselement in einer vorteilhaften Weiterbildung mit einem Haltemittel ausgestaltet sein, das die Druckkörper axial sichernd ausgeformt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Heizpatrone mindestens ein Anschlusselement umfassen, durch das die Elektrodenkörper mit einer Spannungsquelle verbindbar sind. Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit geschaffen, die erfindungsgemäße Heizpatrone mit Strom zu versorgen. Ferner kann das mindestens eine Anschlusselement auch als ein Befestigungselement ausgeführt sein und die Heizpatrone in dem zu beheizenden Medium halten. Hierdurch kann die Heizpatrone z.B. beim Heizen eines flüssigen Mediums direkt und ohne Aufnahmeeinrichtung in diesem angebracht werden, gehalten durch das Anschlusselement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Verschlusselement mindestens eine abgedichtete Öffnung aufweisen, durch die sich jeweils ein Anschlusselement erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass das PTC-Element mit Strom versorgt werden kann, ohne dass die erfinderische Heizpatrone undicht wird. Alternativ kann das Verschlusselement als ein Teil einer Steckverbindung ausgeformt sein, in die beispielsweise ein Steckerelement zur Stromversorgung der Heizpatrone einsteckbar ist. Vorteilhafterweise ist die Steckverbindung zum Einsatz der Heizpatrone in Flüssigkeiten fluiddicht ausgeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie dies oben bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Heizpatrone in einer schematischen Perspektivansicht;
Fig. 2
die Ausführungsform der elektrischen Heizpatrone aus Fig. 1 im Vollschnitt;
Fig. 3
die Ausführungsform der elektrischen Heizvorrichtung aus Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Heizpatrone 1 mit einem Gehäusekörper 2 und zwei Anschlusselementen 3. Der Gehäusekörper 2 ist in Fig. 1 beispielhaft topfförmig ausgeführt, wodurch die Heizpatrone 1 am Boden 4 des Gehäusekörpers 2 automatisch verschlossen ist. Der Gehäusekörper 2 ist zylindrisch und damit z. B. in eine rohrförmige Aufnahmeeinrichtung in einer Einsteckrichtung E einsteckbar ausgeführt. Die Heizpatrone 1 kann bis zu einem flanschförmigen Anschlag 5 in die Aufnahmeeinrichtung eingeschoben werden. Unterhalb des Anschlags 5 befindet sich an dem Gehäusekörper 2 ein Rastmittel 6 in Form eines Hohlwulstes. Durch das Rastmittel 6 wird die Heizpatrone 1 in der Aufnahmeeinrichtung fixiert. Die Fixierung kann dadurch erreicht werden, dass der Außendurchmesser des Rastmittels 6 größer ist als der Innendurchmesser der Aufnahmeeinrichtung, wodurch die Heizpatrone 1 reibschlüssig in der Aufnahmeeinrichtung fixiert wird. Es ist aber auch denkbar, dass die Aufnahmeeinrichtung eine Aussparung aufweist, in die das Rastmittel 6 formschlüssig einrastet und so die Heizpatrone 1 fixiert. Das Rastmittel 6 ist in Fig. 1 beispielhaft auf dem gesamten Umfang des Gehäusekörpers 2 umlaufend dargestellt. Es ist aber ebenfalls möglich, dass das Rastmittel 6 beispielsweise nur abschnittsweise auf den Umfang des Gehäusekörpers 2 ausgeführt ist.
Die zwei Anschlusselemente 3, z.B. in Form einer Steckverbindung, treten oben aus dem Gehäusekörper 2 zum Anschluss der Heizpatrone 1 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) heraus. Durch die Anschlusselemente 3 besteht außerdem eine weitere Befestigungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Heizpatrone 1. Hierfür sind die Anschlusselemente 3 aus einem flexibel biegbaren Material hergestellt. Die Anschlusselemente 3 dienen bei dieser Ausgestaltung als Befestigungselemente und die Heizpatrone 1 wird, an den Anschlusselementen 3 hängend, direkt in dem zu beheizenden Medium platziert. Durch ein manuelles Verbiegen der Anschlusselementen 3 kann die Position der Heizpatrone 1 variiert werden.
Damit die Heizpatrone 1 auch zum Beheizen von aggressiven Medien einsetzbar ist, ist der Gehäusekörper 2 aus einem korrosions- und säurebeständigen Material, z.B. einem Metall, hergestellt.
Fig. 2 zeigt beispielhaft die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizpatrone 1 aus Fig. 1 im Vollschnitt 1, wodurch die Komponenten im Inneren des Gehäusekörpers 2 im eingebauten Zustand sichtbar werden. Hierbei umfasst die erfindungsgemäße Heizpatrone 1 im Inneren des Gehäusekörpers 2 einen Stapel aus zwei Druckkörpern 7, einem Isolierelement 8, zwei Elektrodenkörpern 9 und einem PTC-Element 10. Das im Wesentlichen als eine dünne, vorzugsweise rechteckige Platte geformte PTC-Element 10 mit einer größtmöglichen Plattenfläche ausgeführt, um eine größtmögliche Wärmeleitfläche auszubilden. Das PTC-Element 10 befindet sich in einer Position innerhalb des Gehäusekörpers 2, in der es die größtmögliche Länge einnehmen kann. Diese Position ist beispielsweise bei einem Gehäusekörper mit Kreisquerschnitt ein Durchmesser und bei einem Körper mit Polygon-Querschnitt eine Diagonale.
An den beiden Plattenflächen des PTC-Elements 10 liegen zwei Elektrodenkörpern 9 an. Die beiden Elektrodenkörper 9 sind im Wesentlichen als dünne, vorzugsweise rechteckige Platten ausgeformt und haben mindestens die gleiche Plattenfläche wie das PTC-Element 10, damit sie das PTC-Element 10 auf dessen gesamter Plattenfläche mit Strom versorgen und die erzeugte Wärme gut ableiten können. Die Elektrodenkörper 9 sind jeweils über ein Anschlusselement 3 mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. In Fig. 2 ist nur ein von zwei Anschlusselementen 3 dargestellt, da sich das andere Anschlusselement 3, das den zweiten Elektrodenkörper mit der Spannungsquelle verbindet, im nicht dargestellten Teil der Heizpatrone 1 befindet. Die Anschlusselemente 3 und die Elektrodenkörper 9 können einstückig ausgestaltet sein.
Um die Elektrodenkörper 9 mitsamt dem PTC-Element 10 herum ist das im Vergleich zum Gehäusekörper 2 inelastische, folienförmige Isolierelement 8. Das Isolierelement 8 isoliert die Elektrodenkörper 9 und das PTC-Element 10 elektrisch gegenüber den Druckkörpern 7 und dem Gehäusekörper 2. Um aber eine gute Wärmeleitung vom PTC-Element 10 bzw. den Elektrodenkörpern 9 zu den Druckkörpern 7 zu gewährleisten, ist das Isolierelement 8 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt. Bei der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 2 ist das Isolierelement 8 aus einer Polyimidfolie, insbesondere aus einer Kaptonfolie, hergestellt.
Das PTC-Element 10, die Elektrodenkörper 9 und der Isolierkörper 8 sind zwischen den beiden halbkreisförmigen Druckkörpern 7 sandwichartig angeordnet. Die Druckkörper 7 sind für eine gute Wärmeübertragung aus einem wärmeleitfähigen Material, z.B. aus Aluminium, gefertigt und liegen vollständig an den Elektrodenkörpern 9 bzw. an dem Isolierelement 8 an. Der Stapel 7, 8, 9, 10 befindet sich im Inneren des Gehäusekörpers 2 und steht unter einer Vorspannung, da die Breite des Stapels größer ist als die lichte Weite des Gehäusekörpers 2, wodurch die Wandung des Gehäusekörpers 2 elastisch nach außen ausgelenkt wird und dadurch die Vorspannung im Inneren des Gehäusekörpers 2 entsteht. Die Vorspannung drückt die beiden Druckkörper 7 in einer Wirkrichtung F zusammen. Die Druckkörper 7 drücken wiederum das Isolierelement 8, die Elektrodenkörper 9 und das PTC-Element 10 zentrisch zusammen. Durch das Zusammendrücken durch die Vorspannung im Inneren des Gehäusekörpers 2 ist sichergestellt, dass beispielsweise Luftspalte, die möglicherweise durch Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauteile oder durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen entstehen, zuverlässig weggedrückt werden, wodurch eine gute Wärmeleitung innerhalb der erfindungsgemäßen Heizpatrone 1 gewährleistet ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird der Gehäusekörper 2 am oberen Ende von einem Verschlusselement 11 verschlossen. Das Verschlusselement 11 dichtet den Gehäusekörper 2 fluiddicht ab, so dass z.B. ein zu beheizendes Fluid nicht in das Innere der Heizpatrone 1 gelangen kann. Das Verschlusselement 11 weist eine Aufweitung auf, die im eingebauten Zustand formschlüssig in das Rastmittel 6 des Gehäusekörpers 2 einrastet und das Verschlusselement 11 fixiert. Des Weiteren hat das Verschlusselement 11 einen Anschlagflansch 12, der sich im eingebauten Zustand an den Anschlag 5 des Gehäusekörpers 2 anlegt. Um die abdichtende Wirkung weiter zu verbessern, ist das Verschlusselement 11 aus einem dauerelastischen Kunststoff, nämlich einem Elastomer, hergestellt. Das Elastomer bietet des Weiteren den Vorteil, dass das Verschlusselement Temperaturschwankungen gegenüber formstabil ist, nicht altert und dadurch nicht undicht wird. Das Elastomer kann auch direkt in den Gehäusekörper 2 vergossen werden und darin aushärten, wodurch ein optimaler Formschluss mit der Innenfläche des Gehäusekörpers 2 erreicht wird. Das Verschlusselement 11 weist zwei abgedichtete Öffnungen auf, durch die die Anschlusselemente 3 führen. Alternativ kann das Verschlusselement 11 einen Teil einer fluiddichten Steckverbindung in sich ausbilden, in die ein Gegenstück der Steckverbindung zur Stromversorgung der Heizpatrone einsteckbar ist. Die Anschlusselemente 3 werden ebenfalls durch das Verschlusselement 11 abgedichtet. Das Verschlusselement 11 kann für den Einsatz in korrosiven Medien aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff gefertigt sein.
Um ein Verrutschen der Druckkörper 7 im Inneren des Gehäusekörpers 2 zu verhindern, ist an dem Verschlusselement 11 ein Haltemittel 13 ausgeführt. Im eingebauten Zustand begrenzt das Haltemittel 13 die Druckkörper 7. Die Druckkörper 7 sind also in ihrer axialen Position auf der einen Seite durch einen Absatz am Ende des Gehäusekörpers 2 und auf der anderen Seite durch das Haltemittel 13 des Verschlusselementes 11 fixiert.
Am Boden 4 des Gehäusekörpers 2 befindet sich zwischen Gehäusekörper 2 und den Druckkörpern 7 ein luftgefüllter Freiraum, der eine Isolierschicht bildet und eine Wärmeabgabe nach unten, beispielsweise beim Beheizen eines Festkörpers, reduziert.
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße elektrische Heizpatrone 1 aus Fig. 1 und 2 in einer Explosionsdarstellung. Die elektrische Heizpatrone 1 umfasst den Gehäusekörper 2, in dem die zwei halbkreisförmigen Druckkörper 7 aufgenommen sind. Zwischen den beiden Druckkörpern 7 befindet sich das PTC-Element 10, das auf jeder Seite von einem Elektrodenkörper 9 umgeben ist, und beide werden umschlossen von dem Isolierelement 8. In Fig. 3 ist ersichtlich, dass das Isolierelement 8 in dieser beispielhaften Darstellung taschenförmig um das PTC-Element 10 und die Elektrodenkörper 9 herum ausgeführt ist. Dies gewährleistet eine elektrische Isolierung der Elektrodenkörper 9 und des PTC-Elements 10 an fünf Seiten. PTC-Element 10 und die Elektrodenkörper 9 werden in der Einschubrichtung E in den taschenförmigen Isolierkörper 8 eingeschoben. Die Elektrodenkörper 9 umfassen jeweils ein Kontaktelement 14, an dem die Anschlusselement 3 angebracht ist. Der Anschluss erfolgt üblicherweise durch Löten oder Schweißen, aber auch eine steckbare Verbindung ist denkbar.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird die Heizpatrone 1 durch das Verschlusselement 11 nach oben hin abgeschlossen. Die einzelnen Komponenten werden bei der Montage der Heizpatrone 1 in der Einsteckrichtung E in den Gehäusekörper 2 eingebracht.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizpatrone 1 ist es möglich, einen rohrartigen, beidseitig offenen Gehäusekörper zu verwenden, der auf beiden Seiten ein Verschlusselement aufweist. Hierbei kann jeweils ein Anschlusselement 3 aus beiden Seiten des Gehäusekörpers durch die Öffnungen der Verschlusselemente 11 heraustreten. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, um die erfindungsgemäße Heizpatrone beispielsweise in einem Fluidstrom von zwei Seiten durch die beiden Anschlusselemente 3 und ohne Aufnahmeeinrichtung aufzuhängen.
In einer anderen Abwandlung ist das Isolierelement 8 zwischen den Druckkörpern 7 und dem Gehäusekörper 2 angeordnet, wobei sich die Druckkörper nicht berühren und als Elektrodenkörper ausgestaltet sein können. Schließlich kann anstelle zweier Druckkörper auch ein einzelner Druckkörper oder eine Mehrzahl von Druckkörpern verwendet werden.

Claims (16)

  1. Elektrische Heizpatrone (1), insbesondere zum Beheizen von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit mindestens einem PTC-Element (10), zwei dem mindestens einen PTC-Element (10) zugeordneten Elektrodenkörpern (9), die in einem gegenüber den Elektrodenkörpern (9) durch mindestens ein Isolierelement (8) elektrisch isolierten Gehäusekörper (2) unter einer Vorspannung zusammengedrückt aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (2) als ein die Vorspannung erzeugendes Federelement ausgestaltet ist.
  2. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (2) aus einem elastischen Material gefertigt ist.
  3. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (2) im Wesentlichen topfförmig gefertigt ist.
  4. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (2) aus einem korrosionsbeständigen Material gefertigt ist.
  5. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Isolierelement (8) aus einer gegenüber dem Gehäusekörper inelastischen Kunststofffolie, insbesondere aus einer Poyimidfolie, gefertigt ist.
  6. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkörper (9) jeweils ein Kontaktelement (14) aufweisen, durch das die Elektrodenkörper (9) an eine Spannungsquelle anschließbar sind.
  7. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizpatrone (1) wenigstens zwei wärmeleitende Druckkörper (7) aufweist, die die Vorspannung von dem Gehäusekörper (2) in Richtung des mindestens einen PTC-Elementes (10) übertragend ausgeformt sind.
  8. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines Stapels aus den Druckkörpern (7), dem wenigstens einen Isolierelement (8), den Elektrodenkörpern (9) und dem mindestens einem PTC-Element (10) größer ist als die lichte Weite des Gehäusekörpers (2).
  9. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Druckkörper (7) aus Aluminium hergestellt sind.
  10. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizpatrone (1) mindestens ein Verschlusselement (11) aufweist, durch das der Gehäusekörper (2) im Wesentlichen fluiddicht verschlossen ist.
  11. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper (2) mit einem Rastmittel (6) ausgestaltet ist, in das das Verschlusselement (11) mit einer Gegenraste formschlüssig einrastet.
  12. Elektrische Heizpatrone (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) aus einem dauerelastischen Material, insbesondere einem Elastomer, hergestellt ist.
  13. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) mit einem Haltemittel (13) ausgestaltet ist, das die Druckkörper (7) axial sichernd ausgeformt ist.
  14. Elektrische Heizpatrone (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizpatrone (1) mindestens ein Anschlusselement (3) umfasst, das als ein Befestigungselement ausgeführt ist, durch das die Heizpatrone (1) in dem zu beheizenden Medium anbringbar ist.
  15. Elektrische Heizvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) mindestens eine abgedichtete Öffnung aufweist, durch die sich jeweils ein Anschlusselement (3) erstreckt.
  16. Elektrische Heizvorrichtung (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkörper (7) bezüglich der Vorspannkraft weniger nachgiebig ausgestaltet sind als der Gehäusekörper (2).
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