EP4667845A1 - Ptc-elektroheizung mit keramischer isolierung - Google Patents

Ptc-elektroheizung mit keramischer isolierung

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EP4667845A1
EP4667845A1 EP25181400.0A EP25181400A EP4667845A1 EP 4667845 A1 EP4667845 A1 EP 4667845A1 EP 25181400 A EP25181400 A EP 25181400A EP 4667845 A1 EP4667845 A1 EP 4667845A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ptc
heat transfer
electric
heat
transfer fluid
Prior art date
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Pending
Application number
EP25181400.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bolebruch Marek
Kamil Jakabovic
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Vaillant GmbH
Protherm Production sro
Original Assignee
Vaillant GmbH
Protherm Production sro
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH, Protherm Production sro filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4667845A1 publication Critical patent/EP4667845A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
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    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/121—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium using electric energy supply
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    • H05B3/50—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material heating conductor arranged in metal tubes, the radiating surface having heat-conducting fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Definitions

  • the technical solution involves an electric PTC heating of the heat transfer fluid in the secondary circuit of heating and/or cooling systems with a heat pump, in particular air-to-water heat pumps.
  • Modern heat pumps have cooling circuits that use novel, environmentally friendly refrigerants as working fluids.
  • R290 also known as propane. It is a natural hydrocarbon refrigerant with low environmental impact. This substance, with high thermodynamic performance comparable only to ammonia (R717) or difluoroethane (R152a), has low toxicity but is highly flammable.
  • R290 refrigerant technology can be integrated into any system, regardless of whether it is used in commercial or industrial applications.
  • the new refrigerants mentioned above are flammable and/or explosive.
  • the lower ignition limit of propane as a working fluid is approximately 1.7% by volume in air, which corresponds to 38 g/m3 in air. If the cooling process takes place in a surrounding, hermetically sealed, but otherwise air-filled space with propane as the working fluid, the problem arises of detecting a critical, explosive situation after failure, in which the working fluid escapes into this hermetically sealed space.
  • any potential leakage of the working fluid (refrigerant) into the connected secondary heating and/or cooling circuit of the heat transfer fluid must also be comprehensively addressed.
  • known solutions from the prior art include degassing devices for the safe removal of gaseous refrigerant from the heat transfer circuit, safety devices with leakage sensors, and similar devices.
  • Another device that must also be operationally safe in the event of a leak of flammable refrigerant is the electric auxiliary heater in the connected secondary heating and/or cooling circuit of the heat transfer fluid (back-up).
  • Electric auxiliary heating is used in heat pump systems primarily when the heat extracted from the outside environment (e.g., the air) is insufficient for comfortable heating and/or hot water production, especially during the winter months. At the same time, the electric heater also prevents the heat transfer fluid from freezing (during defrosting mode).
  • the electric heater also prevents the heat transfer fluid from freezing (during defrosting mode).
  • the maximum operating temperature of the heating medium is set to 75°C.
  • a temperature difference ⁇ T 10°C is specified for heating the heat transfer fluid via the auxiliary heater; that is, if the heat transfer fluid has a temperature of, for example, 15°C at the inlet to the electric auxiliary heater, it should be heated by 10°C to 25°C.
  • the heating elements are designed as resistance heating elements (rods, coils). Heating occurs via a flow-through process, with the resistance heating elements immersed in the heat transfer medium.
  • the heating coil is heated to a temperature of up to 850°C, which can lead to overheating of adjacent parts if the temperature of the heating source is not properly regulated or monitored. To prevent thermal damage caused by the temperatures of these heating elements, which are significantly higher than the temperature of the medium being heated, a costly safety concept is required.
  • Electric resistance heaters are mentioned, for example, in the documents EP3910260 A1 , EP3869118 A1 and EP3037741 A1 described.
  • electric resistance heaters are not suitable for use in heating and/or cooling systems with heat pumps using flammable and/or explosive working media.
  • the auto-ignition temperature of the refrigerant R290 for example, is already 450 °C, which must be taken into account when designing an electric auxiliary heater if the adverse circumstances of refrigerant leakage into the circuit of the heated heat transfer fluid must be considered.
  • PTC heating cells The disadvantage of PTC heating cells is precisely the type of self-regulation through changes in electrical resistance depending on the temperature.
  • the peak power increases directly in proportion to the device's power output; for example, it is much lower for a 2 kW device with a peak power of 10% than for a 10 kW device with a peak power of more than 10%.
  • Electric heating devices are currently used in heat pump systems with used with a nominal power output of 12 kW to 25 kW, with up to 50 kW expected in the future.
  • Peak performance also means higher power consumption.
  • the electrical grid must be designed for such a high load, requiring more powerful circuit breakers and thicker cables. For the customer, this means an undesirable increase in costs and often unacceptable modifications to the electrical installation, which can ultimately lead to damage to the connected devices.
  • the present technical solution describes a PTC electric heater for a heat transfer fluid in a secondary circuit of heating and/or cooling systems with a heat pump, with an improved performance characteristic compared to the known state of the art.
  • An electric PTC heating element comprises a container with an inlet for the heat transfer fluid, an outlet for the heat transfer fluid and at least one PTC heating element inserted into the container for the heat transfer fluid.
  • the heating takes place during the flow of the heat transfer fluid from the inlet to the outlet of the container; it is therefore a flow-through heater.
  • the PTC heating cell consists of a ceramic PTC core, two electrodes made of electrically conductive material attached to the ceramic PTC core, an insulating filling to protect the electrodes, and a metal casing that conducts heat well.
  • the metal casing serves both as the housing for the PTC heating element and as the heat exchanger between the heated heat transfer fluid and the heat generated in the ceramic PTC core when the electrodes are connected to an electrical source.
  • the present solution provides an improved PTC heating cell design to reduce peak power and an innovative insulating filler to improve heat transfer from the PTC ceramic body.
  • insulating Kapton foil or Kapton film
  • Kapton film which is an electrical insulator with good thermal conductivity, is typically used to insulate the electrodes of the PTC heating cell.
  • This insulator has a specific thermal conductivity of approximately 0.5 W/(m ⁇ K) .
  • the thermal conductivity of the Kapton foil is insufficient for our purposes, and measurements have shown that the peak power when switching on the PTC heater with the Kapton foil exceeds 30%, while the acceptable peak power for an electric auxiliary heater is less than 10%.
  • Kapton foil Another disadvantage of Kapton foil is its low mechanical strength, which makes the production of the PTC heating cell more difficult.
  • the insulating filler is made of Al (2)O3 , an electrical insulator with good thermal conductivity. Its specific thermal conductivity is approximately 25 W/(m ⁇ K).
  • the problem of joining two ceramic materials i.e. a ceramic PTC body and a ceramic Al 2 O 3 material, is solved by forming the insulating filler with a cured mixture of powdered Al (2) O ( 3) and an adhesive.
  • Sodium silicate Na2SiO3 , or water glass is preferably used as an adhesive.
  • the insulating filler consists of a mixture of 85-90 wt.% powdered Al 2 O 3 and 10-15 wt.% aqueous sodium silicate Na 2 SiO 3 )
  • the diameter of the Al (2)O(3) dust particles used in the ceramic insulating filling is in the range of 0.05 to 1 mm.
  • urea as an activator and curing accelerator to the insulating filler in a weight fraction of up to 1%.
  • Aqueous glass reacts with carbon dioxide from the air and hardens; therefore, CO2 is preferably blown in instead of air to accelerate the hardening process.
  • the process for manufacturing a PTC heating element is as follows: The uncured insulating filler (mixture) is poured into a metal housing and a ceramic PTC body with appropriately attached electrodes is inserted into the filler before curing.
  • the ceramic PTC body, the electrodes and the insulating filler are encapsulated in a metal housing after the insulating filler has hardened, so that at least part of the two electrodes remains free for the connection of the electrical conductors.
  • the metal housing can consist of various cross-sections - circular, rectangular, square, polygonal, since the housing also functions as a heat exchanger and therefore the overall size of the surfaces mediating heat exchange is important.
  • the peak power of the electric auxiliary heater is more than 30% of its rated power.
  • An electric PTC instantaneous water heater for heating and/or cooling systems with a heat pump designed to heat a heat transfer fluid in a secondary circuit of a heat pump, comprises a container 10 for heating the heat transfer fluid, with means for the inlet and outlet of the heat transfer fluid 6 and at least one PTC heating element 1 inserted into the container 10.
  • the PTC heating cell 1 consists of a cuboid PTC ceramic body 2, electrodes 4, 5 made of electrically conductive material which are attached to the PTC ceramic body 2, an insulating filler 3 for insulating the electrodes 4, 5 and metal sleeves 9 made of a thermally conductive material.
  • the metal sleeve 9 has a circular cross-section and an essentially cylindrical shape and ensures heat exchange between the heated heat transfer fluid 6 and the heat generated in the ceramic PTC body 2. Heat is generated after an electrical voltage is applied to electrodes 4, 5.
  • the metal housing 9 is filled with an insulating filler 3 in which a ceramic body 2 with attached electrodes 4, 5 is arranged, the electrodes 4, 5 protruding partially from the housing 9 for the connection of electrical conductors.
  • the PTC heating element 1 is partially immersed in the heat transfer fluid 6 during operation, and part of the electrodes 4, 5, which protrude from the housing 9, is not in contact with the heat transfer fluid 6.
  • the insulating ceramic filler 3 consists of a cured mixture containing 85-90 wt% powdered Al (2)O3 and 10-15 wt% of an adhesive.
  • Sodium silicate Na2SiO3 is preferably used as an adhesive.
  • the insulating filler 3 preferably contains urea in a weight fraction of up to 1%.
  • the preferred embodiment of the electric heater is a safe electric PTC auxiliary electric heater for heating and/or cooling systems with a heat pump, which serves to heat the heat transfer fluid 6 in the secondary circuit of the heat pump, wherein the heater is equipped with at least one PTC heating element 1 with a maximum operating temperature of 300°C and the heat pump has a refrigeration circuit with a flammable working fluid and the peak power of the electric heater is less than 3% of its rated power.
  • Figure 3 also a diagram of the power over time of an electric PTC auxiliary heater with a nominal power of 6 kW and PTC heating cells with insulating Kapton foil.
  • the described electric PTC instantaneous water heater for heating and/or cooling systems with a heat pump serves to heat the heat transfer fluid in the secondary circuit of the heat pump and is also safe for systems with a cooling circuit containing a flammable working fluid (e.g., R290).
  • the described electric PTC auxiliary heater is a device with a nominal output of 12 kW to 25 kW, expected to be up to 50 kW.

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Abstract

Elektrischer PTC-Durchlauferhitzer für Heiz- und/oder Kühlsysteme mit einer Wärmepumpe, der dazu bestimmt ist, eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem Sekundärkreislauf einer Wärmepumpe zu erwärmen, mit einem Behälter (10) mit Mitteln zum Einlass und Auslass der Wärmeträgerflüssigkeit (6) und mindestens einem PTC-Heizelement (1), das in den Behälter (10) eingesetzt ist, um die Wärmeträgerflüssigkeit (6) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Heizelement (1) einen keramischen PTC-Körper (2), zwei Elektroden (4, 5) aus elektrisch leitendem Material, die an dem keramischen PTC-Körper (2) befestigt sind, einen isolierenden keramischen Füllstoff (3) zum Abisolieren der Elektroden (4, 5) und ein Metallgehäuse (9) aus einem gut wärmeleitenden Material umfasst. Der isolierende keramische Füllstoff (3) besteht aus einer ausgehärteten Mischung, die 85-90 Gew.-% pulverförmiges Al2O3 und 10-15 Gew.-% Klebstoff enthält.

Description

  • Die technische Lösung betrifft eine elektrische PTC-Heizung der Wärmeträgerflüssigkeit im Sekundärkreislauf von Heiz- und/oder Kühlsystemen mit einer Wärmepumpe, insbesondere Luft-Wasser-Wärmepumpen.
  • Moderne Wärmepumpen verfügen über Kühlkreisläufe, die neuartige, umweltfreundliche Kältemittel als Arbeitsmittel verwenden.
  • Ein Beispiel für ein neueres Kältemittel ist R290, auch bekannt als Propangas. Es handelt sich um ein natürliches Kohlenwasserstoff-Kältemittel mit geringen Umweltauswirkungen. Dieser Stoff mit einer hohen thermodynamischen Leistung, die nur mit Ammoniak (R717) oder Difluorethan (R152a) vergleichbar ist, hat eine geringe Toxizität, ist aber leicht entzündlich.
  • Seine Verwendung in Europa wird derzeit durch Verordnungen über Grenzwerte für die Kältemittelfüllung je nach Anwendung und Installationsort geregelt. Andererseits kann die R290-Kältemitteltechnologie in jedes System integriert werden, unabhängig davon, ob es in gewerblichen oder industriellen Anwendungen eingesetzt wird
  • Im Gegensatz zur vorherigen Generation von Sicherheitskältemitteln, deren Leckage keine ernsthaften Sicherheitsrisiken mit sich brachte, sind die oben genannten neuen Kältemittel wie R290 entzündlich und/oder explosiv
  • Die sicherheitstechnische Auslegung von Heiz- und/oder Kühlsystemen mit solchen Wärmepumpen ist mit vielen Problemen verbunden, da die betreffenden Kältemittel bei einem Austritt in die Umwelt gefährliche Ereignisse verursachen können . Daher muss die Auslegung der Systeme zumindest auf dem Grundsatz beruhen, dass das System im Normalbetrieb absolut dicht sein muss und weder im Verflüssiger noch im Verdampfer Kältemittelleckagen auftreten dürfen.
  • Es kann jedoch Situationen geben, in denen es aufgrund widriger Umstände zu Kältemittelleckagen kommt. Daher werden bei der Auslegung von Heiz- und/oder Kühlsystemen auch Maßnahmen zur Erkennung von Kältemittelleckagen und zur Entsorgung von im Kältekreislauf ausgetretenem Kältemittel berücksichtigt.
  • Die untere Zündgrenze von Propan als Arbeitsmittel liegt bei etwa 1,7 Volumenprozent in Luft, das entspricht 38 g/m3 in Luft. Findet der Kühlprozess in einem umgebenden, hermetisch abgeschlossenen, aber ansonsten luftgefüllten Raum mit Propan als Arbeitsmedium statt, stellt sich das Problem, eine kritische, explosionsfähige Situation nach dem Versagen zu erkennen, in der das Arbeitsmedium in diesen hermetisch abgeschlossenen Raum entweicht.
  • Die Sicherheitslösungen sind zum Beispiel in den Dokumenten EP3940314 A1 , EP3805671 A1 , EP3748257 A1 beschrieben.
  • Neben der Leckage im Kühlkreislauf muss auch eine eventuelle Leckage des Arbeitsmittels (Kältemittel) in den angeschlossenen sekundären Heiz- und/oder Kühlkreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit umfassend behandelt werden. Aus dem Stand der Technik sind z. B. Entgasungseinrichtungen zur sicheren Entfernung von gasförmigem Kältemittel aus dem Wärmeträgerkreislauf, Sicherheitseinrichtungen mit Leckagesensoren und dergleichen bekannt.
  • Eine weitere Einrichtung, die auch im Falle einer Leckage von brennbarem Kältemittel betriebssicher sein muss, sind elektrische Zusatzheizungen im angeschlossenen sekundären Heiz- und/oder Kühlkreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit (Back-up).
  • Die elektrische Zusatzheizung wird in Wärmepumpensystemen vor allem dann eingesetzt, wenn die der Außenumgebung (z. B. der Luft) entzogene Wärme für eine komfortable Beheizung und/oder für die Erwärmung von Warmwasser, insbesondere in den Wintermonaten, nicht ausreichend ist. Gleichzeitig verhindert die elektrische Heizung auch das Einfrieren der Wärmeträgerflüssigkeit (im so genannten Abtaubetrieb).
  • Für Wärmepumpenheizungen wird die maximale Temperatur des Heizmediums während des Betriebs auf 75°C festgelegt. Für die Erwärmung des Wärmeträgers über den Zuheizer wird eine Temperaturdifferenz ΔT= 10°C festgelegt, d.h. wenn der Wärmeträger am Eintritt in den elektrischen Zuheizer eine Temperatur von z.B. 15°C hat, soll er um 10°C auf 25°C erwärmt werden.
  • Bei bekannten elektrischen Zuheizern sind die Heizelemente als Widerstandsheizelemente (Stäbe, Spiralen) ausgebildet. Die Beheizung erfolgt im Durchflussverfahren, wobei die Widerstandsheizelemente in das Wärmeträgermedium eintauchen. Die Heizspirale wird bis zu einer Temperatur von 850°C aufgeheizt, was zu einer Überhitzung angrenzender Teile führen kann, wenn die Temperatur der Heizquelle nicht richtig geregelt oder überwacht wird. Um thermische Schäden zu vermeiden, die durch die Temperaturen dieser Heizelemente verursacht werden, die deutlich höher sind als die Temperatur des zu erwärmenden Mediums, ist ein kostspieliges Sicherheitskonzept erforderlich.
  • Elektrische Widerstandsheizungen sind z. B. in den Dokumenten EP3910260 A1 , EP3869118 A1 und EP3037741 A1 beschrieben.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen, die von den Heizschlangen erreicht werden, und aus Sicherheitsgründen sind elektrische Widerstandsheizungen nicht für den Einsatz in Heiz- und/oder Kühlsystemen mit Wärmepumpen mit brennbaren und/oder explosiven Arbeitsmedien geeignet.
  • Die Selbstentzündungstemperatur des Kältemittels R290 liegt beispielsweise bereits bei 450 °C, was bei der Konstruktion eines elektrischen Zuheizers unbedingt zu berücksichtigen ist, wenn die nachteiligen Umstände eines Kältemittelaustritts in den Kreislauf der erwärmten Wärmeträgerflüssigkeit in Betracht gezogen werden müssen .
  • Eine Alternative zu Elektroheizungen mit Widerstandsheizschlangen sind die im Stand der Technik befindlichen Elektroheizungen mit PTC-Heizelementen (Positive Temperature Coefficient), deren Einsatz insbesondere deshalb vorteilhaft ist, weil die Temperatur des Heizelements je nach Ausführung des PTC-Heizelements 300°C oder sogar weniger nicht überschreitet. Diese Temperatur wird auch bei trockener Hitze nicht überschritten, da das PTC-Heizelement selbstregulierend ist.
  • Der Nachteil der PTC-Heizzellen ist gerade die Art der Selbstregulierung durch Veränderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Ist ein ausreichender Wärmeübergang von der PTC-Heizzelle an die Umgebung und das beheizte Medium nicht gewährleistet, kommt es beim Einschalten der PTC-Heizzelle zu einem hohen Einschaltstrom, der in den ersten Sekunden nach dem Einschalten zu einer hohen Anfangsspitze der Leistung führt, was ein unerwünschtes Phänomen ist.
  • Dies ist ein normales Verhalten von PTC-Heizelementen, und die höhere Leistung hält in der Regel bis zu 20 Sekunden an, je nach Ausführung des PTC-Heizelements.
  • Die Spitzenleistung steigt in direktem Verhältnis zur Leistung des Geräts, z. B. ist sie bei einem Gerät von 2 kW und einer Spitzenleistung von 10 % viel geringer als bei einem Gerät von 10 kW und einer Spitzenleistung von mehr als 10 %. In Wärmepumpensystemen werden derzeit elektrische Heizgeräte mit einer Nennleistung von 12 kW bis 25 kW verwendet, wobei in Zukunft bis zu 50 kW erwartet werden.
  • Spitzenleistung bedeutet auch einen höheren Stromverbrauch.
  • Leistungsspitzen stellen eine höhere elektrische Belastung für die Netzkomponenten (Schutzschalter, Kabel) und alle angeschlossenen Geräte dar Mit anderen Worten: Das Stromnetz muss für eine so große Last ausgelegt werden, es werden stärkere Schutzschalter und dickere Kabel benötigt. Für den Kunden bedeutet dies einen unerwünschten Kostenanstieg und häufig nicht akzeptierte Änderungen an der Elektroinstallation, die letztlich zu Schäden an den angeschlossenen Geräten führen können.
  • Daher ist es notwendig, PTC-Heizelemente mit einem möglichst geringen Einschaltstrom auszulegen.
  • In der WO2018141458A1 wird eine Lösung für eine PTC-Heizzelle mit reduziertem Einschaltstrom vorgestellt, wobei die Lösung darauf abzielt, das Material, das Design und die Befestigung der Elektroden an dem PTC-Keramikkörper zu verbessern.
  • Die vorliegende technische Lösung beschreibt einen PTC-Elektroerhitzer für eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem Sekundärkreislauf von Heiz- und/oder Kühlsystemen mit einer Wärmepumpe mit einer gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbesserten Leistungscharakteristik.
  • Ein elektrisches PTC-Heizelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Behälter mit einem Einlass für die Wärmeübertragungsflüssigkeit, einen Auslass für die Wärmeübertragungsflüssigkeit und mindestens ein PTC-Heizelement, das in den Behälter für die Wärmeübertragungsflüssigkeit eingesetzt ist.
  • Die Erwärmung erfolgt während des Durchflusses der Wärmeträgerflüssigkeit vom Einlass zum Auslass des Behälters, es handelt sich also um einen Durchflusserhitzer.
  • Die PTC-Heizzelle besteht aus einem keramischen PTC-Körper, zwei Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material, die am PTC-Keramikkörper befestigt sind, einer isolierenden Füllung, um die Elektroden abzustreifen, und einem Metallgehäuse, das die Wärme gut leitet. Die Metallhülse bildet sowohl das Gehäuse des PTC-Heizelements als auch den Wärmetauscher zwischen der erhitzten Wärmeträgerflüssigkeit und der im keramischen PTC-Körper erzeugten Wärme, wenn die Elektroden an eine elektrische Quelle angeschlossen sind.
  • Die vorliegende Lösung sieht ein verbessertes PTC-Heizzellendesign zur Verringerung der Spitzenleistung und einen innovativen Isolierfüllstoff zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom PTC-Keramikkörper vor Nach dem Stand der Technik wird zur Isolierung der Elektroden der PTC-Heizzelle üblicherweise die isolierende Kaptonfolie (oder Kaptonfolie) verwendet, die ein elektrischer Isolator mit guter Wärmeleitfähigkeit ist
  • Dieser Isolator hat eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,5 W/(m·K) .
  • Die Wärmeleitfähigkeit der Kapton-Folie ist für unsere Zwecke unzureichend, und Messungen haben ergeben, dass die Spitzenleistung beim Einschalten des PTC-Heizers mit der Kapton-Folie 30 % übersteigt, die akzeptable Spitzenleistung für einen elektrischen Zuheizer bei weniger als 10 % liegt.
  • Ein weiterer Nachteil der Kapton-Folie ist ihre geringe mechanische Festigkeit, was die Herstellung der PTC-Heizzelle erschwert.
  • Bei der vorliegenden technischen Lösung der isolierende Füllstoff aus Al(2)O3, einem elektrischen Isolator mit guter Wärmeleitfähigkeit. Seine spezifische Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa 25 W/(m·K) .
  • Das Problem der Verbindung zweier keramischer Werkstoffe, d.h. eines keramischen PTC-Körpers und eines keramischen Al2 O3-Werkstoffs, wird dadurch gelöst, dass der isolierende Füllstoff mit einer ausgehärteten Mischung aus pulverförmigem Al(2) O(3)und einem Klebstoff geformt wird.
  • Als Klebstoff wird vorzugsweise Natriumsilikat Na2SiO3als Wasserglas) verwendet.
  • Vorzugsweise besteht der isolierende Füllstoff aus einer Mischung aus 85-90 Gew.-% pulverförmigem Al2O3und 10-15 Gew.-% wässrigem Natriumsilikat Na2SiO3 )
  • Vorzugsweise liegt der Durchmesser der in der keramischen Isolierfüllung verwendeten Al(2)O(3)-Staubkörner im Bereich von 0,05 bis 1 mm.
  • Bei der Herstellung der PTC-Heizzelle ist es vorteilhaft, dem isolierenden Füllstoff Harnstoff als Aktivator und Aushärtebeschleuniger in einem Gewichtsanteil von bis zu 1 % zuzusetzen.
  • Wässriges Glas reagiert mit Kohlendioxid aus der Luft und härtet aus, daher wird CO2 vorzugsweise anstelle von Luft eingeblasen, um die Härtung zu beschleunigen.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines PTC-Heizelements sieht folgendermaßen aus:
    Der unausgehärtete isolierende Füllstoff (Mischung) wird in ein Metallgehäuse gegossen und ein keramischer PTC-Körper mit entsprechend angebrachten Elektroden wird vor dem Aushärten in den Füllstoff eingesetzt.
  • Die Lage und das Verfahren zur Befestigung der Elektroden am keramischen PTC-Körper, um den Einschaltstrom in der PTC-Heizzelle zu minimieren, wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen wird, sind im Stand der Technik beschrieben und brauchen nicht weiter ausgeführt zu werden.
  • Der keramische PTC-Körper, die Elektroden und der isolierende Füllstoff werden nach dem Aushärten des isolierenden Füllstoffs in ein Metallgehäuse eingekapselt, so dass zumindest ein Teil der beiden Elektroden für den Anschluss der elektrischen Leiter frei bleibt.
  • Das Metallgehäuse kann aus verschiedenen Querschnitten bestehen - kreisförmig, rechteckig, quadratisch, mehreckig, da das Gehäuse auch die Funktion eines Wärmetauschers hat und somit die Gesamtgröße der den Wärmeaustausch vermittelnden Flächen wichtig ist.
  • Ein solcher Aufbau des PTC-Heizelements und insbesondere die Zusammensetzung der Isolierfüllung schränken die Spitzenleistung des elektrischen Zuheizers erheblich ein
  • Durch Messungen unter Laborbedingungen wurde festgestellt, dass die elektrische Spitzenleistung des elektrischen PTC-Zuheizers (mit dem beschriebenen PTC-Heizelement) weniger als 3 % seiner Nennleistung beträgt, was der beste Wert für bekannte ähnliche Geräte ist.
  • Zum Vergleich der Spitzenleistung ähnlicher Geräte: Wird eine handelsübliche Kaptonfolie als Isoliermaterial verwendet, beträgt die Spitzenleistung des elektrischen Zuheizers mehr als 30 % seiner Nennleistung.
  • Die technische Lösung wird mit Hilfe von Bildern erläutert, ohne sich jedoch darauf zu beschränken.
  • Die Bilder zeigen:
    • Fig. 1: Bekannter Stand der Technik - PTC-Elektrostrom-Zuheizer mit PTC-Heizelementen mit isolierender Kaptonfolie, wie in Dokument EP4290155 A1 beschrieben
    • Fig. 2: Querschnitt durch eine beispielhafte Anordnung eines PTC-Elektrodurchlauferhitzers mit eingebettetem PTC-gekapseltem Heizelement nach der beschriebenen technischen Lösung
    • Fig. 3: Leistungs-Zeit-Diagramm eines elektrischen PTC-Zuheizers mit einer Nennleistung von 6 kW, mit PTC-Heizelementen mit isolierender Kaptonfolie
    • Fig. 4: Leistungs-Zeit-Diagramm eines elektrischen PTC-Zuheizers mit einer Nennleistung von 5 kW, mit PTC-Heizelementen mit Isolierfüllung gemäß der vorgestellten Lösung
  • Ein elektrischer PTC-Durchlauferhitzer für Heiz- und/oder Kühlsysteme mit einer Wärmepumpe, der dazu bestimmt ist, eine Wärmeträgerflüssigkeit in einem Sekundärkreislauf einer Wärmepumpe zu erwärmen, umfasst einen Behälter 10 zum Erwärmen der Wärmeträgerflüssigkeit, mit Mitteln zum Einlass und Auslass der Wärmeträgerflüssigkeit 6 und mindestens einem PTC-Heizelement 1, das in den Behälter 10 eingesetzt ist.
  • Die PTC-Heizzelle 1 besteht aus einem quaderförmigen PTC-Keramikkörper 2, Elektroden 4, 5 aus elektrisch leitfähigem Material, die am PTC-Keramikkörper 2 befestigt sind, einem isolierenden Füllstoff 3 zum Abisolieren der Elektroden 4, 5 und Metallhülsen 9 aus einem wärmeleitenden Material.
  • Die Metallhülse 9 hat einen kreisförmigen Querschnitt und eine im Wesentlichen zylindrische Form und sorgt für den Wärmeaustausch zwischen der erhitzten Wärmeträgerflüssigkeit 6 und der im keramischen PTC-Körper 2 erzeugten Wärme, nachdem eine elektrische Spannung an die Elektroden 4, 5 angelegt wurde.
  • Das Metallgehäuse 9 ist mit einem isolierenden Füllstoff 3 gefüllt, in dem ein Keramikkörper 2 mit aufgesetzten Elektroden 4, 5 angeordnet ist, wobei die Elektroden 4, 5 zum Anschluss von elektrischen Leitern teilweise aus dem Gehäuse 9 herausragen.
  • Das PTC-Heizelement 1 ist während des Betriebs teilweise in die Wärmeträgerflüssigkeit 6 eingetaucht, und ein Teil der Elektroden 4, 5, die aus dem Gehäuse 9 herausragen, ist nicht in Kontakt mit der Wärmeträgerflüssigkeit 6.
  • Der isolierende keramische Füllstoff 3 besteht aus einer ausgehärteten Mischung, die 85-90 Gew.-% pulverförmiges Al(2)O3und 10-15 Gew.-% eines Klebstoffs enthält.
  • Als Klebstoff wird vorzugsweise Natriumsilikat Na2SiO3verwendet.
  • Der isolierende Füllstoff 3 enthält vorzugsweise Harnstoff in einem Gewichtsanteil von bis zu 1 %.
  • Die bevorzugte Ausführung des elektrischen Heizers ist ein sicherer elektrischer PTC-Zusatzstromerhitzer für Heiz- und/oder Kühlsysteme mit einer Wärmepumpe, der zur Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit 6 im Sekundärkreislauf der Wärmepumpe dient, wobei der Erhitzer mit mindestens einem PTC-Heizelement 1 mit einer maximalen Betriebstemperatur von 300°C ausgestattet ist und die Wärmepumpe über einen Kältekreislauf mit einem brennbaren Arbeitsmittel verfügt und die Spitzenleistung des elektrischen Erhitzers weniger als 3% seiner Nennleistung beträgt.
  • Das Diagramm der Leistung über der Zeit des elektrischen PTC-Zuheizers mit einer Nennleistung von 5 kW, mit PTC-Heizzellen mit Isolierfüllung gemäß der vorgestellten Lösung ist in Abbildung 4 dargestellt.
  • Zum Vergleich zeigt Abbildung 3 auch ein Diagramm der Leistung über der Zeit eines elektrischen PTC-Zusatzheizers mit einer Nennleistung von 6 kW und PTC-Heizzellen mit isolierender Kaptonfolie.
  • Der beschriebene elektrische PTC-Durchlauferhitzer für Heiz- und/oder Kühlsysteme mit Wärmepumpe dient zur Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit im Sekundärkreislauf der Wärmepumpe und ist auch für Systeme mit einem Kühlkreislauf mit brennbarem Arbeitsmedium (z. B. R290) sicher. Bei dem beschriebenen elektrischen PTC-Zuheizer handelt es sich um ein Gerät mit einer Nennleistung von 12kW bis 25kW, voraussichtlich bis zu 50kW.
    • Bezugszeichenliste
    1. 1 PTC-Heizelement
    2. 2 PTC-Keramikkörper
    3. 3 Isolierspachtel
    4. 4 Elektrode
    5. 5 Elektrode
    6. 6 Wärmeträgerflüssigkeit
    7. 7 graphische Darstellung von Leistung und Zeit bei Verwendung von Kaptonfolie
    8. 8 Diagramm der Leistung im Verhältnis zur Zeit bei Verwendung einer Keramikfüllung
    9. 9 Metallgehäuse
    10. 10 elektrischer Durchlauferhitzer

Claims (6)

  1. Elektrischer PTC-Durchlauferhitzer für Heiz- und/oder Kühlsysteme mit Wärmepumpe, ausgelegt für die zusätzliche Erwärmung der Wärmeträgerflüssigkeit im Sekundärkreislauf der Wärmepumpe mit einem Behälter (10) mit Mitteln zum Einlass und Auslass der Wärmeträgerflüssigkeit (6) und mindestens einem PTC-Heizelement (1), das in den Behälter (10) eingesetzt ist, um die Wärmeträgerflüssigkeit (6) zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Heizelement (1) einen keramischen PTC-Körper (2) umfasst, zwei Elektroden (4, 5) aus elektrisch leitendem Material, die an dem PTC-Keramikkörper (2) angebracht sind, einen isolierenden Keramikfüllstoff (3) zum Abstreifen der Elektroden (4, 5), ein Metallgehäuse (9) aus einem wärmeleitenden Material, wobei der isolierende Keramikfüllstoff (3) durch eine gehärtete Mischung gebildet wird, die 85-90 Gew.-% pulverisiertes Al2O3und 10-15 Gew.-% eines Klebstoffs enthält.
  2. PTC-Elektrodurchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgehäuse (9) mit einer isolierenden Keramikfüllung (3) gefüllt ist, in der ein Keramikkörper (2) mit aufgesetzten Elektroden (4, 5) angeordnet ist, wobei die Elektroden (4, 5) zum Anschluss der elektrischen Leitungen teilweise aus dem Gehäuse (9) herausragen.
  3. PTC-Durchlauferhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Al2O3-Staubkörner in der isolierenden keramischen Füllung (3) 0,05 mm bis 1 mm beträgt.
  4. Elektrischer PTC-Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff eine wässrige Lösung von Na2SiO3 ist.
  5. PTC-Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende keramische Füllstoff (3) bis zu 1 Gew.-% Harnstoff enthält.
  6. Elektrischer PTC-Durchlauferhitzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert seiner elektrischen Spitzenleistung weniger als 3% seiner Nennleistung beträgt.
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