EP1620864A1 - Electric heating element - Google Patents

Electric heating element

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Publication number
EP1620864A1
EP1620864A1 EP04722845A EP04722845A EP1620864A1 EP 1620864 A1 EP1620864 A1 EP 1620864A1 EP 04722845 A EP04722845 A EP 04722845A EP 04722845 A EP04722845 A EP 04722845A EP 1620864 A1 EP1620864 A1 EP 1620864A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating element
element according
electrical heating
ptc resistor
powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04722845A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hartwin Weber
Waldemar Döring
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Publication of EP1620864A1 publication Critical patent/EP1620864A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention is in the field of electrical heating technology, where devices, materials or rooms are heated by converting electrical energy into thermal energy.
  • Electrical heating systems are used, for example, in household technology as hot plates in cookers, in hair dryers and fan heaters, in automotive technology to heat the charge air or the catalysts for gasoline or diesel fuel, and in chemical engineering on reaction columns.
  • the temperature is usually measured and the measured variable is used by means of a control circuit to control heating elements in order to achieve a desired target temperature.
  • Heating conductors based on ferritic FeCr (AL) - or austenitic NiCr (Fe) - are usually used for heating conductors.
  • Co-alloys with additions of Fe, Ni and similar metals have also proven their worth in glow plugs for internal combustion engines. However, these are quite expensive due to the high proportion of Co. Such materials also have a very low specific resistance value, so that additional resistors have to be inserted in order to better adapt to the internal resistances of existing voltage sources.
  • a control element for a glow plug which consists of a cobalt-iron alloy with 20-35% iron. This alloy goes into a face-centered cubic crystal structure above about 1000 ° Celsius about what leads to thermal fatigue of the material due to the frequent temperature changes and the associated phase transitions.
  • cobalt-iron alloys with an iron content of 6-18% are also used, which avoid the effect of thermal fatigue. These alloys advantageously have a high temperature factor, but with the disadvantage of a relatively high price.
  • DE 100 60 273 again proposes a two-part arrangement with a temperature sensor element which is separate from the heating element and serves as a series resistor, but which requires more effort because of the two-part nature.
  • the object of the present invention is to find a cost-effective heating element with alloys which are stable in the application area mentioned, so that applications at high temperatures and large amounts of heat are also possible.
  • the object is achieved by a heating element according to claim 1.
  • Refinements and developments of the inventive concept are the subject of dependent claims.
  • the invention further comprises preferred applications of the inventive concept.
  • an electrical heating element comprises a PTC resistor at least partially, but preferably entirely from an iron-based alloy, which in operation has constant properties up to 1500 ° C and no crystallographic lattice conversions, i.e. shows no phase transitions, and which has a resistance-temperature characteristic curve rising in the temperature range between room temperature (RT) and 1500 ° C, the increase in the temperature range between RT and approx. 750 ° C is so steep that the temperature drops to a Target temperature can be regulated on the basis of the temperature behavior of the PTC resistor, the heating element being enclosed in a gas-tight manner by a casing and an intermediate space between the casing and the PTC resistor being filled by an electrically insulating material (e.g. powder or granulate), which displaced much of the gas inside the shell.
  • an electrically insulating material e.g. powder or granulate
  • PTC resistor only one resistor (PTC resistor) is required, which is used for heating and control both as a heating resistor and as a control or temperature sensor resistor. It is also advantageous that it can also be used with hotplates, hair dryers and fan heaters.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the invention provides that the PTC resistor is enclosed in a gas-tight manner, that an intermediate space between the case and the PTC resistor is filled with a powder or granulate, which contains a large part of the gas inside displaces the casing, and that at least part of the powder / granulate consists of a material which binds the gas, in particular oxygen, or in an alternative embodiment, - that the PTC resistor has an oxidation-resistant, high-temperature-resistant metallic coating, preferably a nickel coating, is provided.
  • nickel / chrome coatings or chrome coating or other metallizations are also conceivable.
  • the material that binds the gas can be such that the gas is physically sorbed on the surface of the material, the gas virtually adhering to the surface of the material in a molecular manner.
  • the material can also be porous in order to increase the surface.
  • the material can also be such that a chemisorption or a chemical reaction
  • Fe-based alloys are characterized by somewhat different properties depending on the admixtures, but all have in common a relatively strong temperature dependence of the electrical resistance and a monotonic course of this dependence.
  • Fe-Ti alloys iron-titanium alloys
  • Fe-V alloys iron / vanadium alloys
  • Fe-Mo alloys iron / molybdenum alloys
  • Iron / titanium alloys show the strongest temperature dependence of the resistance, iron / molybdenum alloys one compared to the other iron-based alloys, a reduced scaling tendency
  • iron / vanadium alloys the largest control range, that is, the largest range in which the steepness of the R / T characteristic is sufficient for active and reliable control. What these alloys have in common is that they essentially maintain a cubic, inner-centered lattice structure during operation.
  • the strong temperature dependence of such iron alloys is related to the ferromagnetic properties.
  • the temperature dependence is extreme for alloys with the highest saturation magnetization. This is usually associated with a high Curie temperature (see the table below, T c ).
  • T c The Curie temperature determines the abnormal temperature range of the resistance.
  • Pure iron shows a phase transition from ⁇ -iron to ⁇ -iron in a temperature range between 900 ° Celsius and 1400 ° Celsius, i. H. from a body-centered cubic to a face-centered cubic crystal structure. Since continuous phase transitions lead to thermal fatigue, other components are added to the iron (iron-based alloy), which can prevent a phase transition. Al or Cr, Ti or V, Mo and Si are particularly suitable for this. Binary alloys can also be used as alloys with more than two partners. Such alloys show an almost hysteresis-free course of the temperature coefficient during heating and subsequent cooling.
  • alloys with aluminum and chromium or silicon had somewhat poorer properties than the variants with titanium, vanadium or molybdenum. This was due to the fact that aluminum showed a change in resistance that was too high and that the addition of chromium required too high amounts of chromium to meet the requirement to prevent phase transitions.
  • the following alloys have been found to be advantageous: 2.0-4.0% by weight of Mo, remainder Fe or 1.00-2.50% by weight of V, remainder Fe or 0.75-2.0% by weight % Ti, balance Fe including the usual (melt-related) impurities.
  • alloys have been found to be particularly advantageous: 2.0-3.0% by weight of Mo, remainder Fe or 1.25-1.75% by weight of V, remainder Fe or 1.0-1.5% by weight % Ti, balance Fe including the usual (melt-related) impurities.
  • the alloys with molybdenum are particularly resistant to scaling and therefore place lower demands on the residual gas volume and leak rate, those with vanadium have particularly high melting points (approx. 1530 ° Celsius) and Curie temperatures and are therefore the most controllable.
  • the Ti-alloyed variants show the highest slope between RT and 1000 ° C and thus the best control sensitivity (e.g. temperature factor> 6, for FeTi> 7)
  • ceramic material As a powder or granulate with which the spaces between the casing and the PTC resistor are filled.
  • the ceramic material is sufficiently insulating to avoid a short circuit between the heating element and the possibly metallic shell, and is also temperature-stable so that it does not change its properties when the temperature rises.
  • the material in the gaps should be particularly good heat conductor, which is rather the exception with ceramic powder or ceramic granules, except for example with AlN.
  • a tight packing of the powder or granulate helps here, that is, for example a compression or a
  • a mixture of different grain sizes down to the smallest manageable grain sizes can also be used as powder / granulate. Such mixtures of materials with different grain sizes make densest packs of pourable substances possible.
  • getter material eg Al or Zr powder
  • getter material can be provided in the interior of the casing. These materials bind oxygen very easily, so that scaling of the material of the PTC resistor is then further reduced.
  • the materials aluminum or zirconium are electrically conductive and as such they must not form a conductive bridge between the PTC resistor and the sheath. However, they oxidize to non-conductive oxides, which are then harmless.
  • the powder / granulate contains aluminum or zirconium powder.
  • the aluminum or zirconium powder can, for example, be mixed with a ceramic powder in such a way that the overall electrical conductivity is that of an insulator. Nevertheless, there is enough aluminum or zircon at every point of the heating element to bind gas, especially oxygen.
  • the casing can comprise a metal tube.
  • the sheath conducts the heat generated in the PTC resistor particularly well, since metals are known to be good heat conductors overall.
  • the metal tube is made from an alloy that has a heat resistance and scale resistance that corresponds to the temperature value to be generated. It can also be glued, soldered or welded to an object to be heated. When the heating element according to the invention is used in this way, it can be positioned particularly well, with the physical connection to an object to be heated ensuring particularly good heat transfer.
  • the electrical heating element according to the invention can be connected particularly advantageously to a glass ceramic cooktop by virtue of an intermediate space between an upper cover plate and a lower cover plate of the glass ceramic cooktop, in which the PTC resistor is inserted, the largest possible part the space can be filled with a powder / granulate made of ceramic, and the space is sealed gas-tight.
  • the cover of the heating element consists of the cover plates and the filling with the powder / granulate minimizes the amount of gas in the intermediate space, which could lead to scaling of the PTC resistor.
  • the electrical supply voltage is advantageously fed to the PTC resistor through a gas-tight glass bushing. This ensures that the closure of the space between the cover plates is actually gas-tight.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that at least one of the cover plates has groove-shaped recesses for receiving turns of the PTC resistor.
  • the position of the PTC resistor is precisely defined, on the other hand also the length of the PTC resistor to be installed, which corresponds to the heating power, so that with a known diameter of the PTC resistor and the length of the PTC specified by the groove-shaped recesses -Resistance whose resistance is reproducibly fixed and thus the temperature control is easy to achieve by specifying a certain supply voltage. This is particularly important when such heating elements have to be introduced as standard in glass ceramic cooktops, in which case no calibration of the individual heating elements is then necessary.
  • the overall space becomes smaller, so that the amount of gas that could react with the PTC resistor is further reduced.
  • the additional material in the form of a powder / granulate, which is arranged in the intermediate space for binding the gas, can be mixed into the ceramic powder, for example.
  • at least one separate pocket-like space is provided for receiving a gas-binding powder / granulate (getter powder), which is closed off in particular by a frit.
  • the material (getter powder) can be exchanged in a targeted manner, for example when the PTC resistor is renewed, and replaced with new getter powder.
  • the frit permits gas exchange within the intermediate space with the pocket-like space, so that the gas can be bound there, but dust is kept away from the getter powder.
  • aluminum or zirconium powder can be used as the getter powder.
  • Figure 1 shows schematically in cross section a glass ceramic hob
  • FIG. 1 in cross section a mineral insulated conductor. 1 shows in cross section an upper cover plate 2 and a lower cover plate 3, between which an intermediate space 10 is formed. This is sealed gas-tight in the area of the joints 4, for example by gluing.
  • the lower cover plate 3 has a thickened area 3a where the PTC resistor 1 is provided. This is inserted spirally in grooves or a groove 3b of the lower cover plate 3.
  • the PTC resistor 1 is connected to this by means of a glass bushing 5, which leads through the lower cover plate 3 to the outside to a voltage source 11.
  • a center contact 6 is provided, to which the other end of the PTC resistor is connected and which is connected to the other pole of the voltage source 11.
  • the intermediate space 10 between the upper cover plate 2 and the lower cover plate 3 is provided with a pocket-like recess 9 which is covered by frits 8 and which contains an aluminum or zirconium powder as getter powder in the region 7.
  • the space 10 in particular in the area of the grooves 3b, is additionally largely filled with a ceramic powder (for example porcelain powder, glass ceramic powder, quartz sand) of different grain sizes.
  • a ceramic powder for example porcelain powder, glass ceramic powder, quartz sand
  • FIG. 2 schematically shows a mineral-insulated conductor with a sheath 12 which is made of a temperature-resistant metal, a PTC resistor 13 made of an iron-based alloy according to the invention and between these a layer 14 made of a ceramic powder, some of which is aluminum or zirconium. Powder is added. The powder is stamped during manufacture of the mineral insulated conductor or the sheath 12 is pressed in order to achieve a higher packing density of the powder and thus to reduce the gas spaces within the sheath as much as possible.
  • the following tables show some iron-based alloys that can be used as a material for a PTC resistor according to the invention. In addition, some materials are given for comparison which do not correspond to the invention.
  • All alloy specifications include common, melt-related impurities, for example C, O, N, S, and deoxidation additives such as Mn and Si

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  • Electromagnetism (AREA)
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Abstract

The invention relates to an electric heating element provided with a durable PTC resistance made at least partially of an iron-based alloy, exhibiting stable characteristics to a temperature of 1500 DEG C and having a resistance/temperature characteristic curve which substentially increases in a linear manner within a temperature range between an ambient temperature and 1500 DEG C and can be used for a temperature control. Said PCT resistance is provided with an oxydation resistant metallisation or is gas-tightly enveloped by a jacket (2, 3, 12), a space between said jacket (2, 3, 12) and the PCT resistance (1,13) being filled with a powder or granules (14) which remove an important gas amount from said space.

Description

Beschreibungdescription
Elektrisches HeizelementElectric heating element
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Heiztechnik, wo durch Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie Geräte, Materialien oder Räume beheizt werden.The invention is in the field of electrical heating technology, where devices, materials or rooms are heated by converting electrical energy into thermal energy.
Elektrische Heizsysteme werden beispielsweise in der Haus- haltstechnik als Kochplatten in Herden, in Haartrocknern und Heizlüftern, in der Kraftfahrzeugtechnik zur Erwärmung der Ladeluft beziehungsweise der Katalysatoren für Benzin- oder Dieselkraftstoff sowie in der Chemietechnik an Reaktionskolonnen verwendet. Üblicherweise wird die Temperatur gemessen und die Messgröße mittels eines Regelkreises zur Ansteuerung von Heizelementen zur Erreichung einer gewünschten Zieltemperatur verwendet .Electrical heating systems are used, for example, in household technology as hot plates in cookers, in hair dryers and fan heaters, in automotive technology to heat the charge air or the catalysts for gasoline or diesel fuel, and in chemical engineering on reaction columns. The temperature is usually measured and the measured variable is used by means of a control circuit to control heating elements in order to achieve a desired target temperature.
Bei Heizleitern werden üblicherweise Heizleiter auf der Basis von ferritischen FeCr (AL) - oder austenitischen NiCr(Fe)-Heating conductors based on ferritic FeCr (AL) - or austenitic NiCr (Fe) - are usually used for heating conductors.
Legierungen verwendet. Für eine differenzierte Regelung einer Temperatur sind diese Stoffe jedoch wegen der geringen Temperaturabhängigkeit ihres spezifischen Widerstandes nur schwer zu verwenden.Alloys used. However, because of the low temperature dependence of their specific resistance, these substances are difficult to use for differentiated control of a temperature.
Bei Glühkerzen für Verbrennungskraftmaschinen haben sich auch Co-Legierungen mit Zusätzen von Fe, Ni und ähnlichen Metallen bewährt. Jedoch sind diese durch den hohen Co-Anteil recht teuer. Es ergibt sich außerdem bei solchen Materialien ein sehr geringer spezifischer Widerstandswert, so dass zur besseren Anpassung an die Innenwiderstände vorhandener Spannungsquellen zusätzliche Widerstände eingefügt werden müssen.Co-alloys with additions of Fe, Ni and similar metals have also proven their worth in glow plugs for internal combustion engines. However, these are quite expensive due to the high proportion of Co. Such materials also have a very low specific resistance value, so that additional resistors have to be inserted in order to better adapt to the internal resistances of existing voltage sources.
Aus der DE 3825012 AI ist ein Regelelement für eine Glühkerze bekannt, das aus einer Kobalt-Eisen-Legierung mit 20-35 % Eisen besteht. Diese Legierung geht oberhalb von etwa 1000° Celsius in eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur über, was wegen der häufigen Temperaturänderungen und der damit verbundenen Phasenübergänge zu einer thermischen Ermüdung des Stoffes führt.From DE 3825012 AI a control element for a glow plug is known, which consists of a cobalt-iron alloy with 20-35% iron. This alloy goes into a face-centered cubic crystal structure above about 1000 ° Celsius about what leads to thermal fatigue of the material due to the frequent temperature changes and the associated phase transitions.
Gemäß der EP 0523062 werden auch Kobalt-Eisen-Legierungen mit einem Eisenanteil von 6-18 % verwendet, die den Effekt der thermischen Ermüdung vermeiden. Vorteilhaft weisen diese Legierungen einen hohen Temperaturfaktor auf, jedoch bei dem Nachteil eines relativ hohen Preises.According to EP 0523062, cobalt-iron alloys with an iron content of 6-18% are also used, which avoid the effect of thermal fatigue. These alloys advantageously have a high temperature factor, but with the disadvantage of a relatively high price.
Die Verwendung von reinem Fe führt zu einer ausgeprägten Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, jedoch entstehen Probleme durch Phasenübergänge in dem interessanten Temperaturbereich oberhalb von 900° Celsius. Dies führt zu einem Hystere- severhalten, das eine Zweideutigkeit der Temperaturwiderstandskennlinie zur Folge hat, und zu einer thermischen Ermüdung des Materials, die zu Bruch führen kann.The use of pure Fe leads to a pronounced temperature dependence of the resistance, but problems arise due to phase transitions in the interesting temperature range above 900 ° Celsius. This leads to hysteresis which leads to an ambiguity in the temperature resistance characteristic and to thermal fatigue of the material which can lead to breakage.
Darüber hinaus wird bei niedrigen Temperaturen und/oder ge- ringeren Wärmemengen bislang auch die Temperaturabhängigkeit eines einzigen Widerstandes, der selbst als Heizwiderstand dient, benutzt.In addition, the temperature dependency of a single resistor, which itself serves as a heating resistor, has hitherto been used at low temperatures and / or lower amounts of heat.
Um die oben genannten Probleme weitgehend auszuräumen, wird in der DE 100 60 273 jedoch wiederum eine zweiteilige Anordnung mit einem vom Heizelement getrennten, als Vorwiderstand dienenden Temperatursensorelement vorgeschlagen, die aufgrund der Zweiteiligkeit allerdings einen höheren Aufwand erfordert .In order to largely eliminate the above-mentioned problems, DE 100 60 273, however, again proposes a two-part arrangement with a temperature sensor element which is separate from the heating element and serves as a series resistor, but which requires more effort because of the two-part nature.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Heizelement mit Legierungen zu finden, die in dem genannten Anwendungsbereich stabil sind, so dass auch Anwendungen bei hohen Temperaturen und großen Wärmemengen mög- lieh sind. Die Aufgabe wird durch ein Heizelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Erfindung umfasst weiterhin bevorzugte Anwendungen des Erfindungsgedan- kens .The object of the present invention is to find a cost-effective heating element with alloys which are stable in the application area mentioned, so that applications at high temperatures and large amounts of heat are also possible. The object is achieved by a heating element according to claim 1. Refinements and developments of the inventive concept are the subject of dependent claims. The invention further comprises preferred applications of the inventive concept.
Im einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßes elektrisches Heizelement einen PTC-Widerstand zumindest teilweise, jedoch bevorzugt ganz aus einer Eisenbasislegierung, die im Betrieb bis 1500°C dauerhaft gleichbleibende Eigenschaften aufweist und keine kristallografischen Gitterumwandlungen, d.h. keine Phasenübergänge, zeigt und die eine im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur (RT) und 1500°C ansteigende Widerstands- Temperatur-Kennlinie aufweist, deren Anstieg in dem Tempera- turbereich zwischen RT und ca. 750°C derart steil ist, dass die Temperatur auf eine Zieltemperatur anhand des Temperaturverhaltens des PTC-Widerstands ausregelbar ist, wobei das Heizelement durch eine Hülle gasdicht umschlossen ist und ein Zwischenraum zwischen der Hülle und dem PTC-Widerstand durch ein elektrisch isolierendes Material (z. B. Pulver oder Granulat) ausgefüllt sein kann, welches einen Großteil des Gases im Inneren der Hülle verdrängt.Specifically, an electrical heating element according to the invention comprises a PTC resistor at least partially, but preferably entirely from an iron-based alloy, which in operation has constant properties up to 1500 ° C and no crystallographic lattice conversions, i.e. shows no phase transitions, and which has a resistance-temperature characteristic curve rising in the temperature range between room temperature (RT) and 1500 ° C, the increase in the temperature range between RT and approx. 750 ° C is so steep that the temperature drops to a Target temperature can be regulated on the basis of the temperature behavior of the PTC resistor, the heating element being enclosed in a gas-tight manner by a casing and an intermediate space between the casing and the PTC resistor being filled by an electrically insulating material (e.g. powder or granulate), which displaced much of the gas inside the shell.
Vorteilhafterweise ist nur ein Widerstand (PTC-Widerstand) erforderlich, der zum Heizen und Regeln also sowohl als Heizwiderstand als auch als Regel- bzw. Temperatursensorwiderstand dient. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass eine Anwendung auch bei Kochplatten, Haartrocknern und Heizlüftern möglich ist.Advantageously, only one resistor (PTC resistor) is required, which is used for heating and control both as a heating resistor and as a control or temperature sensor resistor. It is also advantageous that it can also be used with hotplates, hair dryers and fan heaters.
Die Erfindung bezieht sich also auf ein elektrisches Heizelement mit einem PTC-Widerstand (PTC = Positiver Temperatur Coeffizient) , der nicht nur unterhalb von 900° Celsius, sondern auch im Temperaturbereich zwischen 900° Celsius und 1500° Celsius dauerhaft mit gleichbleibenden Eigenschaften betreibbar ist und der eine im Temperaturbereich zwischen 20° Celsius und 750° Celsius stark ansteigende Widerstands- /Temperatur-Kennlinie (R/T-Kennlinie) aufweist. Zwischen 750- 1500 °C ist es ausreichend, wenn die Widerstands-/Temperatur- Kennlinie (R/T-Kennlinie) schwach ansteigt.The invention therefore relates to an electrical heating element with a PTC resistor (PTC = positive temperature coefficient) which can be operated not only below 900 ° Celsius, but also in the temperature range between 900 ° Celsius and 1500 ° Celsius with constant properties and a resistance resistance that rises sharply in the temperature range between 20 ° Celsius and 750 ° Celsius / Temperature characteristic (R / T characteristic). Between 750-1500 ° C it is sufficient if the resistance / temperature characteristic (R / T characteristic) rises slightly.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass Stoffe, die die oben genannten Anforderungen erfüllen, empfindlich gegenüber dem Einfluss von umgebenden Gasen, insbesondere Sauerstoff sind.It has been found that substances that meet the above requirements are sensitive to the influence of surrounding gases, especially oxygen.
Um diesem Umstand zu begegnen, sieht die Erfindung vor, - dass der PTC-Widerstand durch eine Hülle gasdicht umschlossen ist, dass ein Zwischenraum zwischen der Hülle und dem PTC- Widerstand durch ein Pulver oder Granulat ausgefüllt ist, welches einen Großteil des Gases im Inneren der Hülle verdrängt, und dass wenigstens ein Teil des Pulvers/Granulats aus einem Material besteht, welches das Gas, insbesondere Sauerstoff bindet, oder in einer alternativen Ausgestaltung, - dass der PTC-Widerstand mit einer oxidationsbeständigen, hochtemperaturfesten metallischen Beschichtung, vorzugsweise einer Nickelbeschichtung, versehen ist.In order to counter this, the invention provides that the PTC resistor is enclosed in a gas-tight manner, that an intermediate space between the case and the PTC resistor is filled with a powder or granulate, which contains a large part of the gas inside displaces the casing, and that at least part of the powder / granulate consists of a material which binds the gas, in particular oxygen, or in an alternative embodiment, - that the PTC resistor has an oxidation-resistant, high-temperature-resistant metallic coating, preferably a nickel coating, is provided.
Neben einer Nickelbeschichtung sind auch Nickel/Chrom- Beschichtungen oder Chrombeschichtung oder andere Metallisierungen denkbar .In addition to a nickel coating, nickel / chrome coatings or chrome coating or other metallizations are also conceivable.
Insbesondere bei der Verwendung von Fe-haltigen Legierungen (zum Beispiel Eisenbasislegierungen besteht die große Gefahr der Verzunderung (siehe Tabellen 1, 2, 3: Dz: Zunderschicht- dicke nach 2h 1150°C an Luft) bzw. innere Oxydation infolge der Oxidation des Eisens, und/oder der Zusätze wodurch einerseits eine Schicht auf dem PTC-Widerstand entsteht, die keinen elektrischen Stromfluss zulässt, die somit keinen Bei- trag zu einer Aufheizung liefert und die teilweise den verbleibenden Metallteil des PTC-Widerstandes thermisch isoliert. Außerdem wird durch eine innere Oxydation auch der leitende Querschnitt des PTC-Widerstandes und somit dessen elektrischer Widerstand geändert. Dies macht eine Regelung der Temperatur aufgrund der R/T-Kennlinie des Heizelementes schwierig, da die Regelung auf einen bestimmten Querschnitt und eine bestimmte Länge des PTC-Widerstandes als definiertem elektrischen Leiter abgestimmt ist.Particularly when using Fe-containing alloys (for example iron-based alloys) there is a great risk of scaling (see Tables 1, 2, 3: Dz: scale layer thickness after 2h 1150 ° C in air) or internal oxidation due to the oxidation of iron , and / or the additives which, on the one hand, create a layer on the PTC resistor which does not allow any electrical current to flow, which therefore makes no contribution to heating and which partially thermally insulates the remaining metal part of the PTC resistor internal oxidation also conductive cross section of the PTC resistor and thus its electrical resistance changed. This makes it difficult to regulate the temperature on the basis of the R / T characteristic of the heating element, since the regulation is matched to a specific cross section and a specific length of the PTC resistor as a defined electrical conductor.
Durch die Verdrängung des Gases im Inneren der Hülle durch das Pulver/Granulat und die Bindung des Gases an der Oberflä- ehe eines Pulvers/Granulats wird die Menge des Gases innerhalb der Hülle, die mit dem PTC-Widerstand reagieren kann, minimiert .By displacing the gas inside the casing by the powder / granulate and binding the gas to the surface of a powder / granulate, the amount of gas inside the casing that can react with the PTC resistor is minimized.
Dabei kann das Material, welches das Gas bindet, so beschaf- fen sein, dass eine Physisorbtion des Gases an der Oberfläche des Materials stattfindet, wobei das Gas molekülweise quasi an der Oberfläche des Materials klebt. Das Material kann zu diesem Zweck auch porös ausgestaltet sein, um die Oberfläche zu erhöhen. Andererseits kann das Material auch so beschaffen sein, dass eine Chemisorbtion oder eine chemische ReaktionThe material that binds the gas can be such that the gas is physically sorbed on the surface of the material, the gas virtually adhering to the surface of the material in a molecular manner. For this purpose, the material can also be porous in order to increase the surface. On the other hand, the material can also be such that a chemisorption or a chemical reaction
(Gettern) mit dem Gas stattfindet, die zu einer Gasbindung führt. In jedem Fall sollte die entstehende Bindung des Gases möglichst auch bei hohen Temperaturen, die in dem Heizelement auftreten, stabil sein.(Gettern) with the gas that leads to gas binding. In any case, the resulting binding of the gas should, if possible, be stable even at high temperatures which occur in the heating element.
Fe-Basislegierungen zeichnen sich je nach den Beimengungen durch etwas unterschiedliche Eigenschaften aus, jedoch ist allen gemeinsam eine relativ starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes und ein monotoner Verlauf die- ser Abhängigkeit.Fe-based alloys are characterized by somewhat different properties depending on the admixtures, but all have in common a relatively strong temperature dependence of the electrical resistance and a monotonic course of this dependence.
Als besonders vorteilhaft haben sich im Sinne der Erfindung Fe-Ti-Legierungen (Eisen-Titan-Legierungen) , Fe-V-Legierungen (Eisen/Vanadium-Legierungen) und Fe-Mo-Legierungen (Ei- sen/Molybdän-Legierungen) herausgestellt. Dabei zeigen Eisen/Titan-Legierungen die stärkste Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, Eisen/Molybdän-Legierungen eine gegenüber den übrigen Eisenbasislegierungen eine verringerte Zunderneigung und Eisen/Vanadium-Legierungen den größten Regelbereich, das heißt, den größten Bereich, in dem Steilheit der R/T- Kennlinie für eine aktive und zuverlässige Regelung ausrei- chend sind. Gemeinsam ist diesen Legierungen, dass sie während des Betriebes im wesentlichen eine kubisch innenzentrierte Gitterstruktur beibehalten.In the context of the invention, Fe-Ti alloys (iron-titanium alloys), Fe-V alloys (iron / vanadium alloys) and Fe-Mo alloys (iron / molybdenum alloys) have proven to be particularly advantageous , Iron / titanium alloys show the strongest temperature dependence of the resistance, iron / molybdenum alloys one compared to the other iron-based alloys, a reduced scaling tendency and iron / vanadium alloys the largest control range, that is, the largest range in which the steepness of the R / T characteristic is sufficient for active and reliable control. What these alloys have in common is that they essentially maintain a cubic, inner-centered lattice structure during operation.
Die starke Temperaturabhängigkeit derartiger Eisenlegierungen hängt mit den ferromagnetischen Eigenschaften zusammen. Die Temperaturabhängigkeit ist extrem bei Legierungen mit der höchsten Sättigungsmagnetisierung. Dies geht meistens einher mit einer hohen Curie- Temperatur (vgl . die Tabelle weiter unten, Tc) . Die Curie- Temperatur bestimmt den anomalen Tem- peraturbereich des Widerstandes.The strong temperature dependence of such iron alloys is related to the ferromagnetic properties. The temperature dependence is extreme for alloys with the highest saturation magnetization. This is usually associated with a high Curie temperature (see the table below, T c ). The Curie temperature determines the abnormal temperature range of the resistance.
Reines Eisen zeigt in einem Temperaturbereich zwischen 900° Celsius und 1400° Celsius einen Phasenübergang von α- Eisen zu γ- Eisen, d. h. von einer kubisch raumzentrierten zu einer kubisch flächenzentrierten Kristallstruktur. Da dauernde Phasenübergänge zu thermischer Ermüdung führen, werden dem Eisen andere Bestandteile zulegiert (Eisenbasislegierung) , womit ein Phasenübergang verhindert werden kann. Dazu eignen sich besonders AI oder Cr, Ti oder V, Mo und Si . Als Legierungen können binäre Legierungen auch mit mehr als zwei Partnern verwendet werden. Derartige Legierungen zeigen beim Erwärmen und darauffolgenden Abkühlen einen nahezu hysteresefreien Verlauf des Temperaturkoeffizienten.Pure iron shows a phase transition from α-iron to γ-iron in a temperature range between 900 ° Celsius and 1400 ° Celsius, i. H. from a body-centered cubic to a face-centered cubic crystal structure. Since continuous phase transitions lead to thermal fatigue, other components are added to the iron (iron-based alloy), which can prevent a phase transition. Al or Cr, Ti or V, Mo and Si are particularly suitable for this. Binary alloys can also be used as alloys with more than two partners. Such alloys show an almost hysteresis-free course of the temperature coefficient during heating and subsequent cooling.
Es hat sich gezeigt, dass die Legierungen mit Aluminium und Chrom bzw. Silizium etwas schlechtere Eigenschaften aufwiesen, als die Varianten mit Titan, Vanadium oder Molybdän. Dies lag daran, dass Aluminium eine zu hohe Widerstandsänderung aufwies und dass beim Zusatz von Chrom zu hohe Chrommen- gen benötigt werden, um die Forderung der Verhinderung von Phasenübergängen zu erfüllen. Im einzelnen haben sich die folgenden Legierungen als vorteilhaft herausgestellt: 2,0-4,0 Gew.% Mo, Rest Fe oder 1,00- 2,50 Gew.% V, Rest Fe oder 0,75-2,0 Gew.% Ti, Rest Fe einschließlich der üblichen (schmelzbedingten) Verunreinigungen.It has been shown that the alloys with aluminum and chromium or silicon had somewhat poorer properties than the variants with titanium, vanadium or molybdenum. This was due to the fact that aluminum showed a change in resistance that was too high and that the addition of chromium required too high amounts of chromium to meet the requirement to prevent phase transitions. In detail, the following alloys have been found to be advantageous: 2.0-4.0% by weight of Mo, remainder Fe or 1.00-2.50% by weight of V, remainder Fe or 0.75-2.0% by weight % Ti, balance Fe including the usual (melt-related) impurities.
Des Weiteren haben sich die folgenden Legierungen als besonders vorteilhaft herausgestellt: 2,0-3,0 Gew.% Mo, Rest Fe oder 1,25-1,75 Gew.% V, Rest Fe oder 1,0-1,5 Gew.% Ti, Rest Fe einschließlich der üblichen (schmelzbedingten) Verunreini- gungen .Furthermore, the following alloys have been found to be particularly advantageous: 2.0-3.0% by weight of Mo, remainder Fe or 1.25-1.75% by weight of V, remainder Fe or 1.0-1.5% by weight % Ti, balance Fe including the usual (melt-related) impurities.
Die Legierungen mit Molybdän sind besonders zunderbeständig und stellen deshalb geringere Anforderungen an Restgasvolumen und Leckrate, diejenigen mit Vanadium weisen besonders hohe Schmelzpunkte (ca. 1530° Celsius) und Curie-Temperaturen auf und sind damit am höchsten auszusteuern. Die Ti-legierten Varianten zeigen die höchste Steigung zwischen RT und 1000°C und damit die beste Regelempfindlichkeit (zum Beispiel Temperaturfaktor >6, für FeTi >7)The alloys with molybdenum are particularly resistant to scaling and therefore place lower demands on the residual gas volume and leak rate, those with vanadium have particularly high melting points (approx. 1530 ° Celsius) and Curie temperatures and are therefore the most controllable. The Ti-alloyed variants show the highest slope between RT and 1000 ° C and thus the best control sensitivity (e.g. temperature factor> 6, for FeTi> 7)
Bei einem elektrischen Heizelement mit einem oben beschriebenen PTC-Widerstand hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Pulver oder Granulat, mit dem Zwischenräume zwischen der Hülle und dem PTC-Widerstand ausgefüllt werden, keramisches Ma- terial zu verwenden. Das keramische Material ist genügend i- solierend, um einen Kurzschluss zwischen dem Heizelement und der möglicherweise metallischen Hülle zu vermeiden, und ist außerdem temperaturstabil, so dass es seine Eigenschaften bei einer Temperaturerhöhung nicht verändert .In the case of an electrical heating element with a PTC resistor described above, it has proven to be advantageous to use ceramic material as a powder or granulate with which the spaces between the casing and the PTC resistor are filled. The ceramic material is sufficiently insulating to avoid a short circuit between the heating element and the possibly metallic shell, and is also temperature-stable so that it does not change its properties when the temperature rises.
Allerdings sollte das Material in den Zwischenräumen besonders gut wärmeleitfähig sein, was bei Keramikpulver oder Keramikgranulat außer beispielsweise bei AlN eher die Ausnahme ist. Hier hilft eine dichte Packung des Pulvers oder Granu- lats, das heißt, beispielsweise eine Kompression oder einHowever, the material in the gaps should be particularly good heat conductor, which is rather the exception with ceramic powder or ceramic granules, except for example with AlN. A tight packing of the powder or granulate helps here, that is, for example a compression or a
Einrütteln bei der Herstellung eines Heizelementes. Dies hat den vorteilhaften Nebeneffekt, dass dadurch auch die Gas ein- schließenden Räume in dem Pulver weiter verringert bzw. verkleinert werden. Damit steht noch weniger Gas zur Reaktion an der Oberfläche des PTC-Widerstandes zur Verfügung.Shake in the manufacture of a heating element. This has the advantageous side effect that the gas closing spaces in the powder can be further reduced or reduced. This means that even less gas is available for reaction on the surface of the PTC resistor.
Es kann als Pulver/Granulat auch eine Mischung aus verschiedenen Korngrößen bis zu den kleinsten handhabbaren Korngrößen verwendet werden. Durch derartige Materialmischungen mit unterschiedlichen Korngrößen sind dichteste Packungen von schüttfähigen Stoffen möglich.A mixture of different grain sizes down to the smallest manageable grain sizes can also be used as powder / granulate. Such mixtures of materials with different grain sizes make densest packs of pourable substances possible.
Weiterhin kann im Inneren der Hülle Gettermaterial (z. B. Al- oder Zr-Pulver) vorgesehen sein. Diese Materialien binden sehr leicht Sauerstoff, so dass eine Verzunderung des Materials des PTC-Widerstandes dann weiter verringert wird. Die Stoffe Aluminium oder Zirkonium sind zwar elektrisch leitfähig und als solche dürfen sie keine leitfähige Brücke zwischen dem PTC-Widerstand und der Hülle bilden. Jedoch oxidie- ren sie zu nicht leitfähigen Oxiden, die dann unbedenklich sind.Furthermore, getter material (eg Al or Zr powder) can be provided in the interior of the casing. These materials bind oxygen very easily, so that scaling of the material of the PTC resistor is then further reduced. The materials aluminum or zirconium are electrically conductive and as such they must not form a conductive bridge between the PTC resistor and the sheath. However, they oxidize to non-conductive oxides, which are then harmless.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Pulver/Granulat Aluminium- oder Zirkonium-Pulver enthält. In diesem Fall kann das Aluminium- oder Zirkonium-Pulver beispielsweise mit einem Keramik-Pulver derart vermischt sein, dass die elektrische Leitfähigkeit insgesamt die eines Isolators ist. Dennoch ist an jeder Stelle des Heizelementes genügend Aluminium oder Zirkon vorhanden um Gas, insbesondere Sauerstoff, zu binden.It can also be provided that the powder / granulate contains aluminum or zirconium powder. In this case, the aluminum or zirconium powder can, for example, be mixed with a ceramic powder in such a way that the overall electrical conductivity is that of an insulator. Nevertheless, there is enough aluminum or zircon at every point of the heating element to bind gas, especially oxygen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Heizelementes kann die Hülle ein Metallrohr umfassen. In diesem Fall leitet die Hülle die in dem PTC- Widerstand entstandene Wärme besonders gut, da Metalle bekannter Weise insgesamt gut wärmeleitend sind. Das Metallrohr wird dabei aus einer Legierung hergestellt, die eine Warmfes- tigkeit und Zunderbeständigkeit hat, die dem zu erzeugenden Temperaturwert entspricht. Es kann darüber hinaus die Hülle an einem zu beheizenden Gegenstand festgeklebt, festgelötet oder festgeschweißt werden. Bei einer derartigen Verwendung des erfindungsgemäßen Heizelementes lässt sich dieses besonders gut positionieren, wo- bei durch die körperliche Verbindung mit einem zu beheizenden Gegenstand ein besonders guter Wärmeübergang gewährleistet ist .In an advantageous embodiment of the electrical heating element according to the invention, the casing can comprise a metal tube. In this case, the sheath conducts the heat generated in the PTC resistor particularly well, since metals are known to be good heat conductors overall. The metal tube is made from an alloy that has a heat resistance and scale resistance that corresponds to the temperature value to be generated. It can also be glued, soldered or welded to an object to be heated. When the heating element according to the invention is used in this way, it can be positioned particularly well, with the physical connection to an object to be heated ensuring particularly good heat transfer.
Besonders günstig kann das erfindungsgemäße elektrische Heiz- element mit einem Glaskeramik-Kochfeld verbunden sein, indem zwischen einer oberen Abdeckplatte und einer unteren Abdeck- platte des Glaskeramik-Kochfelds ein Zwischenraum besteht, in den der PTC-Widerstand eingelegt ist, wobei ein möglichst großer Teil des Zwischenraums durch ein Pulver/Granulat aus Keramik ausgefüllt sein kann, und der Zwischenraum gasdicht abgedichtet ist. Auf diese Weise besteht die Hülle des Heizelementes aus den Abdeckplatten und durch die Füllung mit dem Pulver/Granulat wird die Menge des in dem Zwischenraum befindlichen Gases, das zur Verzunderung des PTC-Widerstandes führen könnte, minimiert.The electrical heating element according to the invention can be connected particularly advantageously to a glass ceramic cooktop by virtue of an intermediate space between an upper cover plate and a lower cover plate of the glass ceramic cooktop, in which the PTC resistor is inserted, the largest possible part the space can be filled with a powder / granulate made of ceramic, and the space is sealed gas-tight. In this way, the cover of the heating element consists of the cover plates and the filling with the powder / granulate minimizes the amount of gas in the intermediate space, which could lead to scaling of the PTC resistor.
Die elektrische Versorgungsspannung wird dabei vorteilhafter Weise dem PTC-Widerstand durch eine gasdichte Glasdurchführung zugeführt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Abschluss des Zwischenraums zwischen den Abdeckplatten tatsächlich gasdicht ist.The electrical supply voltage is advantageously fed to the PTC resistor through a gas-tight glass bushing. This ensures that the closure of the space between the cover plates is actually gas-tight.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine der Abdeckplatten rillenförmige Ausnehmungen zur Aufnahme von Windungen des PTC-Widerstandes aufweist. In diesem Fall ist einerseits die Position des PTC- Widerstandes genau festgelegt, andererseits auch die zu verlegende Länge des PTC-Widerstandes, die mit der Heizleistung korrespondiert, so dass bei bekanntem Durchmesser des PTC- Widerstandes und der durch die rillenförmigen Ausnehmungen vorgegebenen Länge des PTC-Widerstandes dessen Widerstand reproduzierbar festgelegt und somit die Temperaturregelung durch Vorgabe einer bestimmten VersorgungsSpannung leicht zu bewerkstelligen ist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn solche Heizelemente serienmäßig in Glaskeramik-Kochfelder eingebracht werden müssen, wobei dann keine Eichung der ein- zelnen Heizelemente mehr notwendig ist.A further advantageous embodiment of the invention provides that at least one of the cover plates has groove-shaped recesses for receiving turns of the PTC resistor. In this case, on the one hand the position of the PTC resistor is precisely defined, on the other hand also the length of the PTC resistor to be installed, which corresponds to the heating power, so that with a known diameter of the PTC resistor and the length of the PTC specified by the groove-shaped recesses -Resistance whose resistance is reproducibly fixed and thus the temperature control is easy to achieve by specifying a certain supply voltage. This is particularly important when such heating elements have to be introduced as standard in glass ceramic cooktops, in which case no calibration of the individual heating elements is then necessary.
Außerdem wird durch Vorgabe von Rillen in den Abdeckplatten der Zwischenraum insgesamt kleiner, so dass die Gasmenge, die mit dem PTC-Widerstand reagieren könnte, weiter reduziert wird.In addition, by specifying grooves in the cover plates, the overall space becomes smaller, so that the amount of gas that could react with the PTC resistor is further reduced.
Das zusätzliche Material in Form eines Pulvers/Granulat, das zur Bindung des Gases in dem Zwischenraum angeordnet ist, kann beispielsweise in das Keramik-Pulver mit eingemischt sein. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch denkbar, dass zur Aufnahme eines Gas bindenden Pulvers/Granulats (Getterpul- vers) wenigstens ein separater taschenartiger Raum vorgesehen ist, der insbesondere durch eine Fritte abgeschlossen ist. In diesem Fall kann das Material (Getterpulver) beispielsweise bei einer Erneuerung des PTC-Widerstandes auch gezielt ausgetauscht und durch neues Getterpulver ersetzt werden. Die Fritte lässt einen Gasaustausch innerhalb des Zwischenraums mit dem taschenartigen Raum zu, so dass das Gas dort gebunden werden kann, wobei jedoch Staub von dem Getterpulver fern- gehalten wird. Auch hier kann als Getterpulver Aluminium- o- der Zirkon-Pulver zum Einsatz kommen.The additional material in the form of a powder / granulate, which is arranged in the intermediate space for binding the gas, can be mixed into the ceramic powder, for example. However, it is also conceivable according to the invention that at least one separate pocket-like space is provided for receiving a gas-binding powder / granulate (getter powder), which is closed off in particular by a frit. In this case, the material (getter powder) can be exchanged in a targeted manner, for example when the PTC resistor is renewed, and replaced with new getter powder. The frit permits gas exchange within the intermediate space with the pocket-like space, so that the gas can be bound there, but dust is kept away from the getter powder. Here too, aluminum or zirconium powder can be used as the getter powder.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the figures of the drawing. It shows:
Figur 1 schematisch im Querschnitt ein Glaskeramik-Kochfeld undFigure 1 shows schematically in cross section a glass ceramic hob and
Figur 2 im Querschnitt einen mineralisolierten Leiter. Die Figur 1 zeigt im Querschnitt eine obere Abdeckplatte 2 und eine untere Abdeckplatte 3, zwischen denen ein Zwischenraum 10 gebildet ist. Dieser ist im Bereich der Fügestellen 4, beispielsweise durch Verkleben, gasdicht verschlossen. Die untere Abdeckplatte 3 weist einen verdickten Bereich 3a dort auf, wo der PTC-Widerstand 1 vorgesehen ist. Dieser ist spiralartig in Rillen beziehungsweise eine Rille 3b der unteren Abdeckplatte 3 eingelegt. Der PTC-Widerstand 1 ist mittels einer Glasdurchführung 5, die durch die untere Abdeckplatte 3 ins Äußere zu einer Spannungsquelle 11 führt, an diese angeschlossen. Außerdem ist ein Mittenkontakt 6 vorgesehen, an den das andere Ende des PTC-Widerstandes angeschlossen ist und der mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 11 verbunden ist .Figure 2 in cross section a mineral insulated conductor. 1 shows in cross section an upper cover plate 2 and a lower cover plate 3, between which an intermediate space 10 is formed. This is sealed gas-tight in the area of the joints 4, for example by gluing. The lower cover plate 3 has a thickened area 3a where the PTC resistor 1 is provided. This is inserted spirally in grooves or a groove 3b of the lower cover plate 3. The PTC resistor 1 is connected to this by means of a glass bushing 5, which leads through the lower cover plate 3 to the outside to a voltage source 11. In addition, a center contact 6 is provided, to which the other end of the PTC resistor is connected and which is connected to the other pole of the voltage source 11.
Der Zwischenraum 10 zwischen der oberen Abdeckplatte 2 und der unteren Abdeckplatte 3 ist mit einer taschenartigen Ausnehmung 9 versehen, die durch Fritten 8 abgedeckt ist und die in ihrem Inneren im Bereich 7 ein Aluminium- oder Zirkon- Pulver als Getterpulver enthält.The intermediate space 10 between the upper cover plate 2 and the lower cover plate 3 is provided with a pocket-like recess 9 which is covered by frits 8 and which contains an aluminum or zirconium powder as getter powder in the region 7.
Im übrigen ist der Zwischenraum 10 insbesondere im Bereich der Rillen 3b zusätzlich weitgehend mit einem Keramik-Pulver (z. B. Porzellanpulver, Glaskeramikpulver, Quarzsand) unter- schiedlicher Korngröße ausgefüllt.In addition, the space 10, in particular in the area of the grooves 3b, is additionally largely filled with a ceramic powder (for example porcelain powder, glass ceramic powder, quartz sand) of different grain sizes.
Figur 2 zeigt schematisch einen mineralisolierten Leiter mit einer Hülle 12, die aus einem temperaturbeständigen Metall besteht, einen PTC-Widerstand 13 aus einer Eisenbasislegie- rung gemäß der Erfindung und zwischen diesen eine Schicht 14 aus einem Keramik-Pulver, wobei diesem teilweise Aluminiumoder Zirkon-Pulver beigemischt ist. Das Pulver wird bei Herstellung des mineralisolierten Leiters gestampft oder die Hülle 12 wird gepresst, um eine höhere Packungsdichte des Pulvers zu erreichen und damit die Gasräume innerhalb der Hülle möglichst zu verringern. Die nachfolgende Tabellen geben einige Eisenbasislegierungen wieder, die gemäß der Erfindung als Material für einen PTC- Widerstand verwendet werden können. Außerdem sind zum Vergleich einige Materialien angegeben, die der Erfindung nicht entsprechen. Zu den aufgeführten Materialien sind jeweils spezifische Widerstandswerte bei bestimmten Temperaturen (Rho 1000 und Rho 20) angegeben, sowie der Temperaturfaktor, der Auskunft über die Steilheit der R/T-Kennlinie zeigt und die Schmelztemperatur Tm sowie die Curietemperatur Tc . Dz ist dabei die Zunderdicke nach 2h 1150 °C an Luft. Wenn sie nicht angegeben ist, dann ist die Oxydation nicht auf die Oberfläche beschränkt (innere Oxydation) .FIG. 2 schematically shows a mineral-insulated conductor with a sheath 12 which is made of a temperature-resistant metal, a PTC resistor 13 made of an iron-based alloy according to the invention and between these a layer 14 made of a ceramic powder, some of which is aluminum or zirconium. Powder is added. The powder is stamped during manufacture of the mineral insulated conductor or the sheath 12 is pressed in order to achieve a higher packing density of the powder and thus to reduce the gas spaces within the sheath as much as possible. The following tables show some iron-based alloys that can be used as a material for a PTC resistor according to the invention. In addition, some materials are given for comparison which do not correspond to the invention. For the materials listed, specific resistance values are given at certain temperatures (Rho 1000 and Rho 20), as well as the temperature factor, which shows information about the slope of the R / T characteristic, and the melting temperature Tm and the Curie temperature Tc. Dz is the scale thickness after 2 hours in air at 1150 ° C. If it is not specified, the oxidation is not limited to the surface (internal oxidation).
Tabelle 1.Table 1.
Tabelle 2 Table 2
Alle Legierungsangaben schließen übliche, schmelzbedingte Verunreinigungen an beispielsweise C, O, N, S sowie Desoxida- tionszusätze wie Mn und Si mit ein All alloy specifications include common, melt-related impurities, for example C, O, N, S, and deoxidation additives such as Mn and Si

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrisches Heizelement mit einem zum Heizen und Regeln vorgesehenen PTC-Widerstand (1, 13) wenigstens teilweise aus einer Eisenbasislegierung, die im Betrieb bis 1500°C dauerhaft gleichbleibende Eigenschaften aufweist und keine kristallografischen Gitterumwandlungen zeigt, die eine im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 1500°C ansteigende Widerstands/Temperatur-Kennlinie aufweist, deren Anstieg in dem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und ca. 750°C derart steil ist, dass die Temperatur des PTC-Widerstandes auf eine Zieltemperatur anhand seines eigenen Temperaturverhaltens ausregelbar ist .1.Electric heating element with a PTC resistor (1, 13) provided for heating and control, at least partially made of an iron-based alloy, which has constant properties in operation up to 1500 ° C and shows no crystallographic lattice conversions, one in the temperature range between room temperature and 1500 ° C increasing resistance / temperature characteristic curve, the increase in the temperature range between room temperature and about 750 ° C is so steep that the temperature of the PTC resistor can be regulated to a target temperature based on its own temperature behavior.
2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, wobei der PTC-Widerstand eine metallische Beschichtung, insbesondere eine Nickelbeschichtung, aufweist.2. Electrical heating element according to claim 1, wherein the PTC resistor has a metallic coating, in particular a nickel coating.
3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, wobei der3. Electric heating element according to claim 1, wherein the
PTC-Widerstand (1, 13) durch eine Hülle (2, 3, 12) gasdicht umschlossen ist und wobei ein Zwischenraum zwischen der Hülle (2, 3, 12) und dem PTC-Widerstand (1, 13) durch ein elektrisch isolierendes Material (14) ausgefüllt sein kann, welches einen Großteil des Gases im Inneren der Hülle (2, 3, 12) verdrängt.PTC resistor (1, 13) is enclosed in a gas-tight manner by a casing (2, 3, 12) and an intermediate space between the casing (2, 3, 12) and the PTC resistor (1, 13) by an electrically insulating material (14) can be filled, which displaces a large part of the gas inside the shell (2, 3, 12).
4. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 3, bei dem das elektrisch isolierende Material (14) Pulver oder Granulat ist.4. Electrical heating element according to claim 3, wherein the electrically insulating material (14) is powder or granules.
5. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 4, bei dem wenigstens ein Teil des Pulvers/Granulats aus einem Material besteht, welches das Gas bindet.5. An electrical heating element according to claim 4, wherein at least part of the powder / granulate consists of a material which binds the gas.
6. Elektrisches Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der PTC-Widerstand (1, 13) wenigstens teilweise aus einer der folgenden Fe-Basislegierungen besteht: Fe-Ti-Legierungen, Fe-V-Legierungen, Fe-Mo- Legierungen.6. Electrical heating element according to one of the preceding claims, wherein the PTC resistor (1, 13) at least partially consists of one of the following Fe base alloys: Fe-Ti alloys, Fe-V alloys, Fe-Mo alloys.
7. Elektrisches Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der PTC-Widerstand (1, 13) wenigstens teilweise aus einer Legierung der folgenden Zusammensetzungs- bereiche einschließlich üblicher Verunreinigungen besteht: 2,0-4,0 Gew. % Mo, Rest Fe; oder 1,00-2,50 Gew.% V, Rest Fe; oder 0,75-2,00 Gew.% Ti, Rest Fe .7. Electrical heating element according to one of the preceding claims, in which the PTC resistor (1, 13) consists at least partially of an alloy of the following composition ranges including common impurities: 2.0-4.0% by weight Mo, balance Fe ; or 1.00-2.50% by weight V, balance Fe; or 0.75-2.00% by weight of Ti, remainder Fe.
8. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 7, bei dem der PTC-Widerstand (1, 13) wenigstens teilweise aus einer Legierung der folgenden Zusammensetzungsbereiche einschließlich üblicher Verunreinigungen besteht: 2,0-3,0 Gew. % Mo Rest Fe oder 1,25-1,75 Gew.% V, Rest Fe oder 1,0-1,5 Gew.% Ti , Rest Fe.8. Electrical heating element according to claim 7, wherein the PTC resistor (1, 13) consists at least partially of an alloy of the following composition ranges including common impurities: 2.0-3.0 wt.% Mo balance Fe or 1.25- 1.75% by weight V, balance Fe or 1.0-1.5% by weight Ti, balance Fe.
9. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das Pulver oder Granulat elektrisch isolierendes keramisches Material enthält.9. Electrical heating element according to one of claims 3 to 8, wherein the powder or granules contains electrically insulating ceramic material.
10. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 9, bei dem als keramisches Material AlN vorgesehen ist .10. An electrical heating element according to claim 9, in which AlN is provided as the ceramic material.
11. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Pulver /Granulat eine Mischung aus verschiedenen Korngrößen bis herab zu den kleinsten handhabbaren Korngrößen umfasst .11. Electrical heating element according to claim 9 or 10, wherein the powder / granulate comprises a mixture of different grain sizes down to the smallest manageable grain sizes.
12. Elektrisches Heizelement einem der Ansprüche 3 bis 11, bei dem im Inneren der Hülle ganz oder teilweise Getter- material angeordnet ist .12. Electric heating element according to one of claims 3 to 11, in which inside or entirely getter material is arranged in the casing.
13. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 12, bei dem das Gettermaterial zumindest teilweise AI- oder Zr-Pulver besteht . 13. An electrical heating element according to claim 12, wherein the getter material consists at least partially of Al or Zr powder.
14. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 3 bis 13, bei dem die Hülle aus einem Metallrohr (12) ausgebildet ist .14. Electrical heating element according to one of claims 3 to 13, wherein the casing is formed from a metal tube (12).
15. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 3 bis 14, bei dem die Hülle (12) an einen zu beheizenden Gegenstand festgeklebt, festgelötet oder festgeschweißt ist.15. Electrical heating element according to one of claims 3 to 14, wherein the sheath (12) is glued, soldered or welded to an object to be heated.
16. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche bei einem Glaskeramik- Kochfeld, wobei zwischen einer oberen Abdeckplatte (2) und einer unteren Abdeckplatte (3) ein Zwischenraum (10) gebildet ist, in den Zwischenraum (10) der PTC-Widerstand (1) eingelegt ist, und der Zwischenraum (10) gasdicht abgedichtet ist.16. Use of an electrical heating element according to one of the preceding claims in a glass ceramic cooktop, an intermediate space (10) being formed between an upper cover plate (2) and a lower cover plate (3), in the intermediate space (10) of the PTC resistor (1) is inserted, and the intermediate space (10) is sealed gas-tight.
17. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach An- spruch 16, bei dem der Zwischenraums durch Füllmaterial zumindest teilweise ausgefüllt ist.17. Use of an electrical heating element according to claim 16, in which the intermediate space is at least partially filled by filler material.
18. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach Anspruch 17, bei dem als Füllmaterial Pulver/Granulat aus Kera- mik vorgesehen ist.18. Use of an electric heating element according to claim 17, in which powder / granulate made of ceramic is provided as the filling material.
19. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die elektrische Versorgungsspannung dem PTC-Widerstand durch eine gasdichte Glas- durchführung (5) zugeführt wird.19. Use of an electrical heating element according to one of claims 16 to 18, in which the electrical supply voltage to the PTC resistor is supplied through a gas-tight glass bushing (5).
20. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem der PTC-Widerstand (1) zumindest teilweise in Windungen ausgebildet ist und wenigstens eine der Abdeckplatten (2,3) rillenförmige Ausnehmungen (3b) zur Aufnahme der Windungen des PTC- Widerstandes (1) aufweist. 20. Use of an electrical heating element according to one of claims 17 to 19, in which the PTC resistor (1) is at least partially formed in turns and at least one of the cover plates (2,3) groove-shaped recesses (3b) for receiving the turns of the PTC - Resistance (1).
21. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem zur Aufnahme eines Gas bindenden Getterpulvers wenigstens ein separater taschenarti- ger Raum (9) vorgesehen ist,21. Use of an electric heating element according to one of claims 16 to 18, in which at least one separate pocket-like space (9) is provided for receiving a gas-binding getter powder,
22. Verwendung eines elektrischen Heizelementes nach Anspruch 21, bei dem der taschenartige Raum (9) durch eine Fritte (8) abgeschlossen ist. 22. Use of an electric heating element according to claim 21, wherein the pocket-like space (9) is closed by a frit (8).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7196295B2 (en) * 2003-11-21 2007-03-27 Watlow Electric Manufacturing Company Two-wire layered heater system
US20110062145A1 (en) * 2007-09-10 2011-03-17 Amo Co., Ltd. Drying heater, heating unit for drying laundry using the same, drying control system and control method thereof
JP2016018181A (en) * 2014-07-11 2016-02-01 富士ゼロックス株式会社 Heating device, fixing device, and image forming apparatus
US11224098B2 (en) * 2018-11-01 2022-01-11 General Electric Company Systems and methods for passive heating of temperature-sensitive electronic components

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4034330A (en) * 1974-09-19 1977-07-05 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd. Sheath heater
US4658121A (en) * 1975-08-04 1987-04-14 Raychem Corporation Self regulating heating device employing positive temperature coefficient of resistance compositions
JPS5766402A (en) * 1980-10-13 1982-04-22 Seiko Epson Corp Synthetic resin lens
JPS61104582A (en) * 1984-10-25 1986-05-22 株式会社デンソー Sheathed heater
US5286952A (en) * 1987-06-11 1994-02-15 Raychem Corporation Methods and devices which make use of conductive polymers to join articles
DE3825012A1 (en) * 1988-07-22 1990-01-25 Beru Werk Ruprecht Gmbh Co A MATERIAL FOR AN ELECTRICAL RESISTANCE ELEMENT WITH POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT
DE4010479A1 (en) * 1990-03-31 1991-10-02 Bosch Gmbh Robert GLOW PLUG FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
DE19630402C2 (en) * 1996-07-26 2000-12-28 Beru Ag Pole flame glow plug
JPH10208853A (en) * 1996-11-19 1998-08-07 Ngk Spark Plug Co Ltd Ceramic heater and manufacture thereof
DE19756988C1 (en) * 1997-12-20 1999-09-02 Daimler Benz Ag Electrically heated glow plug or glow stick for internal combustion engines
US6274855B1 (en) * 1998-11-17 2001-08-14 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Heating resistor for ceramic heaters, ceramic heaters and method of manufacturing ceramic heaters
JP3937004B2 (en) * 1998-11-18 2007-06-27 日本発条株式会社 Heater unit
JP2002098333A (en) * 2000-09-26 2002-04-05 Ngk Spark Plug Co Ltd Glow plug
DE10060273C1 (en) * 2000-12-05 2001-12-13 Vacuumschmelze Gmbh & Co Kg Glow plug for use in combustion chamber of IC engine comprises a dielectric resistance element composed of two resistance coils, one of which maintains a body-centered cubic crystal structure during all operational states

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004086420A1 *

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WO2004086420A1 (en) 2004-10-07
DE10314218A1 (en) 2004-10-14
US7230211B2 (en) 2007-06-12
US20060065653A1 (en) 2006-03-30

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