DE3708056A1 - Heizelement zum erwaermen stroemender medien - Google Patents
Heizelement zum erwaermen stroemender medienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Heizelement zum Erwärmen strömender
Medien, bei dem als Wärmetauscher ein aus gut wärmeleitendem
Metall, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer oder aus Legie
rungen mit hohem Anteil dieser Metalle bestehender, mit regel
mäßig angeordneten, in Strömungsrichtung sich geringfügig ko
nisch verjüngenden Durchlaßöffnungen versehener Metallkörper
dient, bei dem das Volumen sämtlicher zwischen den Durchlaß
öffnungen befindlicher Teile des Metallkörpers gleich oder
größer als das Volumen sämtlicher Durchlaßöffnungen ist, der
Metallkörper mit scheibenförmigen, keramischen Kaltleitern (PTC-
Widerständen) beheizt wird, die an einem Teil der Oberfläche
des Metallkörpers mit thermisch und elektrisch leitfähigem Kunst
stoffkleber befestigt sind.
Es ist bekannt, als Heizelement einen keramischen Kaltleiter,
auch PTC-Widerstand genannt, zu benutzen. Ein Kaltleiter besteht
aus dotiertem polykristallinem Keramikmaterial mit Perowskitstruk
tur auf der Basis von Bariumtitanat, dessen wesentliche Eigen
schaft das Zusammenwirken von Halbleitung und Ferroelektrizität
ist. Als Folge dieser Eigenschaft ergibt sich in einem bestimm
ten Temperaturbereich ein ausgeprägter positiver Temperaturko
effizient des Widerstandes. Ab einer bestimmten Temperatur, der
Curietemperatur, die von der chemischen Zusammensetzung der Ti
tanat-Keramik abhängt, steigt der Widerstand nahezu sprunghaft
um einige Zehnerpotenzen an.
Wird also der Kaltleiter von einem Strom durchflossen, so heizt
er sich auf, bis er die Curietemperatur erreicht hat, um dann,
durch den sprunghaft ansteigenden Widerstand, kaum noch von
Strom durchflossen zu werden und sich daher energiemäßig zu sta
bilisieren. Sobald der Kaltleiter gekühlt wird, kann er wieder
von Strom durchflossen werden und sich wieder aufheizen (Selbst
stabilisierung). Damit eignet sich ein Kaltleiter besonders als
Heizelement mit Selbstregelungseffekt. Ein Überhitzen und folg
lich eine Zerstörung eines solchen Heizelementes ist damit aus
geschlossen.
Wie schon erwähnt, kann die Maximaltemperatur des Heizelementes
über die Materialzusammensetzung gezielt eingestellt werden.
Gegenwärtig sind Temperaturen bis zu 320°C realisierbar.
In der Regel werden Kaltleiter als Scheiben oder in Form dünner
Platten hergestellt, auf denen an zwei gegenüberliegenden gros
sen Flächen sperrschichtfreie Metallelektroden aufgebracht wer
den, die, wie hinreichend bekannt, z.B. überwiegend Silber oder
Nickel enthalten.
Bekannt und zu beachten ist, daß die Kaltleiterkeramik vor allem
im Oberflächenbereich im Zusammenhang mit den Metallelektroden
eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegen gewisse äußere Einflüsse
aufweist, denn nur durch eine gezielte Metallbeschichtung, bei
der die Sperrschicht zwischen dem halbleitenden Kaltleitermate
rial und dem metallischen Elektrodenmaterial abgebaut wird bzw.
nicht entsteht, ist der PTC-Effekt wirksam. Diese Metallbeschich
tung muß daher, ebenso wie der Keramikkörper selbst, vor schädi
genden Einflüssen bewahrt werden.
Die Verwendung von Kaltleitern zum Aufheizen strömender Medien
ist bekannt. So ist in der DE-PS 28 04 818 eine elektrische
Heizeinrichtung beschrieben, insbesondere für Getränkezuberei
tungsmaschinen, deren Heizwirkung auf der Verwendung von PTC-
Heizelementen beruht, wobei diese Heizelemente durch Einlagen
aus elektrisch isolierendem und gut wärmeleitendem Material
von Heizplattensegmenten isoliert sind und freie Zwischenräu
me zwischen benachbarten Heizplattensegmenten mit einer elek
trisch isolierenden und gut wärmeleitenden Füllmasse ausgefüllt
sein können.
Aus der DE-OS 28 04 749 bzw. der DE-PS 28 04 749 ist ein Durch
lauferhitzer bekannt, dessen Heizelemente aus PTC-Keramik be
stehen und dessen Wärmeübertrager aus sich zu einer im wesent
lichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Zylindersektoren
aufgebaut ist, wobei die Zylindersektoren durch einen Zylinder
mantel umfangsseitig miteinander verspannt sind und die Heiz
elemente zwischen einander zugewandten Flächen benachbarter Zy
lindersektoren angeordnet sind und durch den Druck an die Zylin
dersektoren gepreßt werden.
Um eine elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Verbin
dung zwischen dem Heizelement und dem Zylindersektor zu
erzielen, befindet sich zwischen dem Heizelement und dem Zylin
dersektor eine Aluminiumoxidkeramik. Eventuell vorhandene Zwi
schenräume, die durch die Aluminiumoxidkeramik nicht ausgefüllt
werden, sind mit einer wärmeleitenden und elektrisch isolieren
den Füllmasse, wie beispielsweise Silikonkautschuk, umgossen.
Aus der DE-OS 31 19 302 ist eine Luftheizvorrichtung bekannt.
Die wärmeabstrahlenden Anordnungen aus Metall stehen hierbei in
Berührung mit den Oberflächen der Elektroden der jeweiligen
Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Heiz
elemente können dabei zwischen zwei Abstrahlungsanordnungen
durch wärmebeständige und wärmeleitfähige Silikonkleberschichten
eingespannt sein, und die vorstehenden Teile der Elektroden der
Heizelemente können durch Leitungsdrähte an elektrisch
leitfähige Klebstoffschichten angeschlossen sein. Es ist aber
auch möglich, durch einen wärmebeständigen und elektrisch leit
fähigen Klebstoff die elektrischen Verbindungsdrähte unmittelbar
an die Abstrahlungsanordnungen anzuschließen.
Elektrisch und thermisch leitfähige Klebstoffe für höhere Be
triebstemperaturen sind beispielsweise in der US-PS 38 98 422
beschrieben. Allerdings wird dort das PTC-Heizelement nur ein
seitig an das aufzuheizende Objekt mit einem solchen Klebstoff
angeklebt, während die zweite Seite des PTC-Heizelementes über
eine Klemmfeder kontaktiert wird.
In der US-PS 43 46 285 ist eine ein PTC-Element anwendende Heiz
einrichtung beschrieben. Die wärmeabstrahlenden Körper aus einem
gut wärmeleitendem Material weisen Löcher auf, durch die das
aufzuheizende Medium strömt. Die Wärmeübertragungskörper sind
mit dem PTC-Element wärmeleitend durch die klemmende Wirkung
einer Schraubverbindung oder über einen elektrisch isolierenden
Klebstoff verbunden. Im Falle eines elektrisch leitenden Klebers
werden die Wärmeübertragungskörper über eine zusätzliche Zwi
schenlage vom PTC-Element elektrisch isoliert. Um die PTC-Ele
mente vor dem zu erwärmenden Medium zu schützen, können sie
von einem Ring aus Kunststoff umgeben sein. Um jedoch die klem
mende Wirkung einer Schraubverbindung nicht zu stören, ist die
Dicke dieses Ringes geringfügig kleiner als die Dicke des PTC-
Elementes. Dadurch ist aber auch kein vollkommener Schutz mehr
gewährleistet, da aufgrund der Dickentoleranzen sowohl der Rin
ge wie auch der PTC-Elemente eine vollständige Abdichtung nicht
gewährleistet ist.
Aus der EP-OS 01 94 507 ist ein Heizelement zum Erwärmen strö
mender Medien bekannt, bei dem als Wärmetauscher ein Metallkör
per dient, der mit scheibenförmigen keramischen Kaltleitern be
heizt wird, die an einem Teil der Oberfläche des Metallkörpers
mit Kunststoffkleber befestigt sind. Der Metallkörper besteht
aus gut wärmeleitendem Metall und weist regelmäßig angeordnete
Durchlaßöffnungen auf, wobei der Anteil der Durchlaßöffnungen
am Gesamtvolumen weniger als 50% beträgt. Die keramischen Kalt
leiter sind an gegenüberliegenden Teilen der Außenoberfläche
des Metallkörpers angeklebt, eventuell auch in innerhalb des Me
tallkörpers vorhandenen Aussparungen. Die zweite Elektrode der
Kaltleiter wird dabei grundsätzlich über eine Klemmfeder kontak
tiert. Dort wird somit nur nur eine einseitige Auskoppelung der
vom Kaltleiter gelieferten Wärme ausgenutzt. Diese einseitige
Auskoppelung reduziert den Wirkungsgrad des Heizelementes.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heizelement zum Erwärmen
strömender Medien, insbesondere zur Anwendung in Kraftfahrzeu
gen (Erwärmung der Ansaugluft, des Luft-Brennstoffgemisches, Be
heizung der Fahrgestelle) und zur Ölvorwärmung anzugeben, das
eine höchstmögliche Auskoppelung der durch die Heizelemente ab
gegebenen Wärme gewährleistet, einen weitgehenden Schutz der
Kaltleiter gegenüber dem zu erwärmenden Medium bietet, dem zu
erwärmenden Medium nur einen geringen Strömungwiderstand bietet,
mechanisch, elektrisch und thermisch flexibel aufgebaut ist und
kostengünstig hergestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Heizelement der eingangs an
gegebenen Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) Der Metallkörper besteht aus mehreren, sich zu einer im we sentlichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Einzelkör pern, insbesondere Sektoren oder Segmenten, die gleichzeitig als Stromzuführungen zu den Kaltleitern dienen,
- b) zwischen den Grenzflächen zweier benachbarter Einzelkörper ist mindestens ein keramischer, scheibenförmiger Kaltleiter enthalten, welcher mit seinen die Belegungen tragenden gros sen Stirnflächen an jede der beiden Grenzflächen benachbarter Einzelkörper mittels eines elektrisch und thermisch leiten den Klebers befestigt ist,
- c) zusätzlich sind die benachbarten Einzelkörper untereinander mechanisch fixiert, indem in je wenigstens zwei an jeder Grenzfläche befindlichen Öffnungen elektrisch isolierender Kunststoff vorhanden ist, der diese Durchlaßöffnungen paar weise durch wenigstens einen Steg aus dem gleichen Kunst stoff verbindet,
- d) der Hohlraum, der zwischen zwei Grenzflächen benachbarter Ein zelkörper um die Kaltleiter und den Kleber herum verbleibt, ist mit die Kaltleiter vollständig umhüllenden, elektrisch isolierendem Kunststoff gefüllt,
- e) der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkörper und für die Umhüllung der Kaltleiter sowie zur Füllung der Hohlräume besitzt vollständig oder nahezu denselben thermi schen Ausdehnungskoeffizienten wie das als Wärmetauscher die nende Metall.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der den Metallkörper
bildenden Einzelkörper mit einer die Umfangsfläche desselben
ringförmig umschließenden Umhüllung versehen ist.
Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kunststoff für die mechanische Fixierung
der Einzelkörper, für die Umhüllung der Kaltleiter, zur Füllung
der Hohlräume und für die Umhüllung des Metallkörpers aus zu
30 bis 50 Gew.-% mit Glasfasern und/oder mit Mikrokugeln ver
stärktem, spritzgußfähigem, im ausgehärteten Zustand bei der
Arbeitstemperatur ausreichend elastischem Kunststoffmaterial,
insbesondere Polyphenylensulfid, besteht.
Eine weitere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch ge
kennzeichnet, daß die äußeren Abmessungen der Umhüllung des Me
tallkörpers für einen späteren Einbau in ein Rohrleitungssystem
dimensioniert sind.
Ein anderes Heizelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die bei
den für die Bildung der mechanischen Fixierungen benutzten Durch
laßöffnungen zur jeweiligen Grenzfläche der Einzelkörper hin über
die gesamte Dicke des Metallkörpers geöffnet sind und diese bei
den Öffnungen dadurch miteinander einen Kanal ergeben, der eben
falls mit Kunststoff gefüllt ist und einen Steg darstellt.
Eine andere Ausführungsform des Heizelementes ist dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Ausbildung des Steges die Kunststoff
füllungen der beiden Durchlaßöffnungen beidseitig über den Me
tallkörper hinausragen und diese herausragenden Enden durch
dasselbe Kunststoffmaterial miteinander verbunden sind.
Eine weitere Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch ge
kennzeichnet, daß die Stromzuleitungen zu einem Einzelkörper über
mindestens einen in mindestens eine Durchlaßöffnung gesteckten
Stecker erfolgt.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines Heizelementes
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung zu einem
Einzelkörper über eine an diesen angeformte Lasche erfolgt.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform eines Heizelementes
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen einander
diametral gegenüberstehen und als Stifte so ausgebildet sind,
daß das Heizelement nach Einbau in ein Rohrleitungssystem dreh
bar ist.
Eine andere Ausführungsform eines Heizelementes ist dadurch
gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Strömungswiderstandes
sich auf der Einlaßseite der Einzelkörper konische Einlaßöff
nungen überschneiden, so daß aneinandergrenzende Durchlaßöff
nungen durch scharfe Kanten voneinander getrennt sind.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß durch das beisei
tige Ankleben der Wärmeübertragungskörper ein sehr guter ther
mischer Kontakt zwischen dem PTC-Element und dem Wärmetauscher
besteht, wodurch sowohl die erzeugte Wärme optimal ausgekop
pelt, als auch eine bessere Rückkoppelung auf die Selbstregelung
des PTC-Elementes erzielt werden kann. Weiterhin ist der Aufbau
des Heizelementes sehr einfach und kostengünstig, da es ledig
lich aus den Wärmetauschern, den Heizelementen, dem elektrisch
und thermisch leitenden Klebstoff sowie dem zur Kapselung der
PTC-Elemente und zur Fixierung der Wärmetauscher dienenden Kunst
stoff besteht. Zusätzliche Schraubverbindungen oder Klemmschel
len sind nicht erforderlich.
In der "Technischen Information" 830314 mit dem Titel "Kalt
leiter als Heizelemente", Seiten 1 bis 10, der Firma VALVO, die
selbst Kaltleiter und mit Kaltleitern beheizte Vorrichtungen her
stellt und eine große Erfahrung auf diesem Spezialgebiet besitzt,
wird auf Seite 5 unter Punkt 5.3, Absatz 2, festgestellt, daß
bevorzugt bei zweiseitiger Verklebung wegen der durch die thermi
sche Wechselbelastung ausgelösten mechanischen Spannungen die
Möglichkeit besteht, daß sich die Verklebung löst oder daß Risse
in der Kaltleiterscheibe auftreten. Die vorliegende Erfindung,
die durch den Stand der Technik nicht nahegelegt ist, vermeidet
diese Schwierigkeiten, denn die zusätzlich zur Verklebung vor
handene spezielle mechanische Fixierung mittels elastischem
Kunststoff beugt diesen bekannten Problemen vor. Dies wurde an
drei Heizelementen (Heizwaben) durch je 40000 Belastungszyklen
(Erwärmung auf 230°C in ca. 30 Sekungen, Haltezeit 2 Minuten, Ab
kühlung in 3 Minuten auf Raumtemperatur, dann erneuter Zyklus)
nachgewiesen. Alle drei Heizwaben waren nach diesen Tests voll
funktionsfähig. Risse oder Ablösungserscheinungen waren nicht
feststellbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher
beschrieben und sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Heizelement,
Fig. 2 eine Seitenansicht desselben Heizelementes,
Fig. 3 einen Schnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 5 eine Draufsicht auf das geschnittene Heizelement,
Fig. 6 einen weiteren Querschnitt durch dasselbe Heizelement,
Fig. 7 einen Teilausschnitt des Heizelementes,
Fig. 8 Durchlaßkanäle im Detail,
Fig. 9 eine drehbare Ausführung des Heizelementes,
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein Heizelement mit Stromzuführungs
laschen,
Fig. 11 einen Schnitt des Heizelementes mit Stromzuführungsla
schen.
In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Heizelement gezeigt. Als
Wärmetauscher dienen hierbei zwei aus Aluminium, Kupfer oder ei
ner Legierung mit einem hohen Anteil dieser Metall bestehende
Einzelkörper 1, 2, die eine Vielzahl von Durchlaßöffnungen 3
aufweisen. Zur Einlaßöffnung hin sind diese Durchlaßöffnungen 3
konisch aufgeweitet, so daß durch die geringen Abstände der ein
zelnen Durchlaßöffnungen 3 voneinander sich die Einlaßöffnungen
überschneiden und scharfe Kanten 5 entstehen, die zwei benachbar
te Durchlaßöffnungen 3 voneinander trennen. Daher weist eine
vollständig von anderen Durchlaßöffnungen 3 umgebene Durchlaßöff
nung 3 einen sechseckigen Rand auf.
In der Verbindungsebene zwischen dem Einzelkörper 1 und dem
Einzelkörper 2 liegen die PTC-Elemente. Sie sind von einer
Kunststoffumhüllung vollständig eingeschlossen. Unmittelbar
an der Verbindungsebene gelegene Durchlaßöffnungen können als
Öffnungen für Stege 4 ausgebildet sein. Der Verbindungssteg
zwischen diesen Öffnungen kann dabei entweder durch eine Ein
fräsung in die Einzelkörper 1, 2 hergestellt werden oder durch
eine außerhalb der Einzelkörper 1, 2 liegende Verbindung, z.B.
als Steg 6, hergestellt sein. Zusätzlich können die Einzelkör
per 1, 2 noch von einer ringförmigen Umhüllung 7 umgeben sein,
die beim Einbau in ein Metallrohr zur Wärmedämmung und zur elek
trischen Isolation dient. Die mechanische Fixierung der beiden
Einzelkörper 1 und 2 erfolgt aber lediglich über Verbindungsste
ge, wie den Steg 4 oder den Steg 6, so daß die ringförmige Um
hüllung bei einem Einbau in ein nicht wärmeleitendes und gegebe
nenfalls elektrisch isolierendes Kunststoffrohr auch eingespart
werden kann.
In Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Heizelementes gezeigt. Man
erkennt wiederum die ringförmige Umhüllung 7, die als Wärmedäm
mung die beiden Einzelkörper 1 und 2 umschließt. Der mechanischen
Fixierung der Einzelkörper 1 und 2 dienen die Stege 6, die über
hier nicht sichtbare Öffnungen für Stege die Einzelkörper 1 und
2 zusammenhalten.
Der in Fig. 3 dargestellte Schnitt zeigt eine der Möglichkeiten
zur gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1, 2.
Die unmittelbar an der Verbindungsebene gelegenen Durchlaßöff
nungen, die durch den Steg 4 verbunden werden sollen, besitzen
keine konischen Einlaßöffnungen. Statt dessen ist über die gan
ze Dicke des jeweiligen Einzelkörpers 1 oder 2 je eine zur Ver
bindungsfläche offene Nut eingefräst, wodurch zwischen zwei
aneinander grenzenden, benachbarten Einzelkörpern 1, 2 ein Ver
bindungskanal 8 zwischen den jeweiligen Öffnungen entsteht. Die
ser Verbindungskanal 8 ist mit demselben Kunststoff gefüllt, der
auch die ringförmige Umhüllung 7 bildet bzw. als Steg 6 dient
und stellt damit den Steg 4 dar. Bei einem Steg 6 existiert zwi
schen den benachbarten Durchlaßöffnungen kein Verbindungskanal
8, sondern die mechanisch fixierende Verbindung ensteht durch
den Steg 6 selbst.
In Fig. 4 ist eine andere Seitenansicht mit einem Teilschnitt
gezeigt. Man erkennt die ringförmige Umhüllung 7, sowie den
beidseitig zweier Durchlaßöffnungen vorhandenen Steg 6, der zur
gegenseitigen mechanischen Fixierung der Einzelkörper 1 und 2
dient. Der Schnitt durch eine größere Anzahl von Durchlaßöffnun
gen 3, die sich im Einzelkörper 1 befinden, läßt deutlich die
scharfe Kante 5 erkennen, die durch Überschneiden der konischen
Einlaßöffnungen entsteht.
Der Pfeil A in den Fig. 3 und 4 zeigt die Strömungsrichtung
des zu erwärmenden Mediums.
Fig. 5 zeigt im Schnitt V-V der Fig. 2 eine Aufsicht auf ein
Heizelement. Der Schnitt erfolgte unterhalb der konischen Erwei
terung der Durchlaßöffnungen 3. Zur gegenseitigen mechanischen
Fixierung der Einzelkörper 1 und 2 dienen die durch den Steg 4
im Verbindungskanal 8 miteinander verbundenen Öffnungen. Die wei
teren Öffnungen 9, 10 sind nicht durch einen Verbindungskanal ver
bunden, sondern durch den in der Fig. 1 gezeigten Steg 6. Zwischen
den Einzelkörpern 1, 2 befinden sich die Kaltleiter 11, die, wie
in Fig. 6 zu erkennen ist, von Kunststoff 14 umschlossen sind.
In Fig. 6 ist das Heizelement aus Fig. 1 längs der Linien VI-VI
gezeigt. Bei diesen Durchlaßöffnungen 3 sind hier keine konischen
Einlaßaufweitungen gezeigt. Die das Loch 10 aus Fig. 5 vollstän
dig ausfüllende Kunststoffüllung 13 geht nahtlos in den aus Fig.
1 bekannten Steg 6 über und bewirkt damit eine mechanische Fi
xierung der beiden Einzelkörper 1 und 2.
In Fig. 7 ist die Kunststoffumhüllung 14 des Kaltleiters 11 ver
größert dargestellt. Mit den Einzelkörpern 1, 2 sind die Bele
gungen 12 des Kaltleiters 11 über den elektrisch und thermisch
leitenden Kleber 15 verbunden. Gegen die Umwelt ist der Kaltlei
ter 11 vollständig durch die Kunststoffumhüllung 14 abgeschirmt.
Eine zusätzliche Abdichtung erfolgt dabei durch die Dichtkante
26, die sich in den Verbindungsflächen der Einzelkörper 1 und 2
befindet.
In Fig. 8 sind die scharfen Kanten 5, die die Durchlaßöffnungen
3 voneinander trennen, in vergrößerter Form zu erkennen.
In Fig. 9 ist eine Ausführung eines Heizelementes gezeigt, die
beispielsweise für die Anwendung als Defroster in einem Kraft
fahrzeug geeignet ist. Der grundsätzliche Aufbau des Heizelemen
tes ist bereits aus der Fig. 1 bekannt, zusätzlich weist dieses
Heizelement jedoch noch Kontakte 21, 22 auf, die als Stromzu
führung dienen. Ferner dienen diese Kontakte 21, 22 als Montage
element für die Positionierung des Heizelementes in einer spe
ziell gestalteten Einbaufassung 25 aus Kunststoff. In dieser
Einbaufassung 25 sitzen zwei selbstschmierende Hülsen 24, durch
deren Bohrung das Heizelement mittels der beiden Kontaktstifte
21, 22 drehbar gelagert ist. An dem Kontaktstift 22 ist außer
halb der Einbaufassung ein Drehhebel 23 angebracht, über den
die Position des Heizelementes von außen eingestellt werden kann
und gewissermaßen wie eine Drosselklappe drehbar ist.
In der Ruhestellung, d.h., wenn die Erwärmung der Strömungsluft
nicht erforderlich ist, steht das Heizelement parallel zur
durch den Strömungskanal 19 herangeführten Strömung A, um den
Strömungswiderstand möglichst gering zu halten (gestrichelte
runde Scheibe). Im Betriebsfall wird das Heizelement um 90° ge
dreht und steht somit quer zur Strömung A. Bei Anlegen der Be
triebsspannung wird die einströmende Luft erwärmt.
In der Fig. 10 ist eine andere Ausführungsform des Heizelementes
dargestellt. Der Grundaufbau ist derselbe wie schon aus der
Fig. 1 bekannt, allerdings weist diese Ausführungsform des Heiz
elementes eine besondere Ausgestaltung der ringförmigen Umhül
lung 16 auf, die sie für einen Einbau in ein Rohrleitungssystem
besonders geeignet macht. Weiterhin sind Stromzuführungslaschen
17, 18 vorhanden, die in direkten elektrischen Kontakt mit den
Einzelkörpern 1, 2 stehen, welche wiederum als Stromzuführung
zu den Kaltleitern dienen.
In Fig. 11 ist das Heizelement aus Fig. 10 im Querschnitt gezeigt.
Man erkennt, daß in diesem Falle die Stromzuführungslaschen 17,
18 direkt an den Einzelkörper 2 bzw. 1 angeformt sind. Die ring
förmige Umhüllung 16 weist zusätzliche Aussparungen auf, um
Dichtringe 20 aufnehmen zu können. Durch diese Dichtringe 20
wird eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Rohrleitungssystem
19 und dem Heizelement erreicht.
Nachfolgend werden einige technische Daten bezüglich des Aufbaus
und der Anwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Heizwabe
angegeben.
Der Betriebsspannungsbereich erstreckt sich je nach Bauform der
Kaltleiter von 6 V bis 240 V, wobei Leistungen bis zu 800 W
realisierbar sind. Die höchste erreichbare Temperatur liegt bei
250°C. Dieser Wert resultiert vor allem aus der Leistungsfähig
keit des Klebers sowie der Kunststoffumhüllung.
Die als Kleber geeigneten Materialien sind in der schon erwähn
ten US-PS 38 98 422 beschrieben. Selbstverständlich kann auch
ein anderer Klebstoff verwendet werden, wenn er die folgenden
Kriterien erfüllt:
- - Temperaturbeständigkeit mindestens 250°C,
- - ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, spezifischer Wider stand maximal 0,001 Ohm×cm,
- - hervorragende Wärmeleitfähigkeit, mindestens 12 W/mK,
- - lineare Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 60 bis 80×10-6 l/K,
- - erforderliche Zugfestigkeit 20 bis 30 kg/cm2,
- - elastische Eigenschaften
- - Korngröße des Feststoffanteils kleiner 15 µm,
- - Feststoffmenge etwa 72 Gew.-%, Feststoff z.B. versilberte Kupferpartikel.
Der verwendete Kunststoff ist ebenfalls von erheblicher Bedeu
tung. Einerseits soll der Kunststoff die Keramik mechanisch und
chemisch gegen das zu erwärmende Medium schützen, andererseits
soll er die thermomechanischen Kräfte auf Klebeverbindung und
Keramik durch die mechanische Fixierung der Einzelkörper mini
mieren. Weiterhin soll er die Einzelkörper gegen eine eventuell
elektrisch leitende Rohrwandung isolieren und erforderlichenfalls
auch als thermische Isolierung dienen. Damit ergeben sich folgen
de Forderungen an den Kunststoff:
- - Temperaturbeständigkeit mindestens 250°C,
- - lineare Wärmeausdehnungskoeffizient maximal 22×10-6 l/K,
- - Brennbarkeit nach UL 94 V/O (UL: gemäß Vorschriften der Under writers Laboratories Inc.), d.h. selbstlöschend,
- - Resistenz gegenüber dem zu erwärmendem Medium,
- - Zugfestigkeit mindestens 100 N/mm2.
Ein Material, das diesen Anforderungen gerecht wird, ist das
mit Glasfasern oder mit Glaskugeln verstärkte Polyphenylensulfid
von L.N.P. Plastics, Nederland B.V., mit einem Glasanteil von
40 Gew.-%.
Die zur Wärmeübertragung dienenden Einzelkörper werden vorzugs
weise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung im Druckguß
verfahren hergestellt. Die äußere Form ist je nach Anwendung
kreisrund, oval oder vieleckig. Für den Aufbau des Heizsystems
sind mindestens zwei solcher Wärmeübertrager erforderlich. An
der jeweiligen Verbindungsstelle besitzen die Wärmeübertrager
eine plane Fläche zur Aufnahme der PTC-Elemente. Mögliche Grund
formen des aus den Einzelkörpern zusammengesetzten Metallkörpers
sind z.B. ein aus 4 Vierteln bestehender Zylinder oder ein aus
zwei Hälften bestehender Zylinder. Auch ein dreigeteilter Zylin
der, der aus einem Mittelblock mit parallelen Verbindungsflächen
und zwei Zylindersegmenten besteht, ist realisierbar, wobei der
Mittelblock an den Plus-Pol und die beiden Kreissegmente an den
Minus Pol der Spannungsquelle angeschlossen werden.
Zu beachten ist, daß die Einzelkörper als Stromzuführung dienen
und daher immer die Möglichkeit bestehen muß, an das zwischen
zwei Einzelkörpern sich befindende PTC-Element sowohl eine po
sitive wie auch eine negative Spannung anlegen zu können. Die
Stromzuführung an den Einzelkörper kann dabei über Klemmen oder
in eine Durchlaßöffnung gesteckte Stecker oder Druckfedern oder
ähnliche elektrisch leitende Gegenstände erfolgen. Zu beachten
ist bei der Anwendung jedoch, daß das strömende Medium höchstens
eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen darf, um einen
Kurzschluß zwischen den Einzelkörpern zu vermeiden.
Zur Verringerung des Strömungswiderstandes besitzen die Einzel
körper eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Durchlässe, die
einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Die lichte Weite nimmt
dabei von der Einlaßseite mit einem konstanten Krümmungsradius
bis zu maximal 1/3 der Durchlaßlänge ab und bleibt anschließend
bis zur Auslaßseite konstant oder weist über die gesamte Dicke
des Körpers höchstens eine Konizität von zwei Winkelgraden auf.
Im Einlaßbereich laufen die Krümmungsradien der einzelnen
Durchlässe gegenseitig bis auf eine Kante zusammen, so daß quer
zur Strömungsrichtung keine Flächen verbleiben. Jede dieser
Kanten weist einen Radius von 0,1 bis 0,2 mm auf. Die Drauf
sicht auf die Durchlässe zeigt dann eine wabenähnliche Form
mit einer Vielzahl einzelner Sechseckstrukturen.
Das Volumen sämtlicher zwischen den Durchlässen befindlicher
Teile des Metallkörpers ist gleich oder maximal um 30% größer
als das Volumen sämtlicher Durchlässe.
Um eine möglichst einfache und preisgünstige Herstellung der
Einzelkörper zu erreichen, ist es ratsam, den gesamten, wärme
übertragenden Metallkörper aus identisch aufgebauten Einzelkör
pern zusammenzusetzen.
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in folgendem:
Verglichen zur bekannten Keramikwabe oder anderen Heizungen mit
asymmetrischer Temperaturauskoppelung von Kaltleitern, ergibt
sich bei der vorliegenden Erfindung eine deutliche Kostenein
sparung in der Größenordnung von bis zu 40%.
Dafür zeigen sich mehrere Aspekte verantwortlich:
Zum einen fallen Kontaktierungsfedern, aufwendige Gehäusekon
struktionen sowie erforderliche Isolierteile weg. Zum anderen
kann durch die symmetrische Auskoppelung die Anzahl der Kalt
leiter reduziert werden. Der Aufbau besteht lediglich aus vier
verschiedenen Komponenten wie Kaltleiter, Wärmeübertrager, Kle
ber und Kunststoffassung.
Mit den Einzelkomponenten Wärmeübertrager, Kaltleiter und Kleber
erfolgt die Vormontage des Verklebens. Die Endmontage ist das
Umspritzen mit dem Kunststoff. Die Gesamtmontage beschränkt sich
auf zwei Vorgänge, die kostengünstig in einer Serienfertigung
realisierbar sind.
- Bezugszeichenliste
1 Einzelkörper
2 Einzelkörper
3 Durchlaßöffnung
4 Steg
5 scharfe Kante
6 Steg
7 ringförmige Umhüllung
8 Verbindungskanal
9 Öffnung für Steg
10 Öffnung für Steg
11 Kaltleiter
12 Belegung des Kaltleiters
13 Kunststoffüllung
14 Kunststoffumhüllung des Kaltleiters
15 Kleber
16 ringförmige Umhüllung
17 Stromzuführungslasche
18 Stromzuführungslasche
19 Rohrleitungssystem
20 Dichtring
21 Stromzuführungsstift
22 Stromzuführungsstift
23 Drehhebel
24 Hülse
25 Einbaufassung
26 Dichtkante
Claims (10)
1. Heizelement zum Erwärmen strömender Medien, bei dem als Wär
metauscher ein aus gut wärmeleitendem Metall, insbesondere
aus Aluminium oder Kupfer oder aus Legierungen mit hohem Anteil
dieser Metalle bestehender, mit regelmäßig angeordneten, in
Strömungsrichtung sich geringfügig konisch verjüngenden Durchlaß
öffnungen (3) versehener Metallkörper dient, bei dem das Volumen
sämtlicher, zwischen den Durchlaßöffnungen (3) befindlicher Tei
le des Metallkörpers gleich oder größer als das Volumen sämtli
cher Durchlaßöffnungen (3) ist, der Metallkörper mit scheibenför
migen, keramischen Kaltleitern (11) (PTC-Widerstände) beheizt
wird, die an einem Teil der Oberfläche des Metallkörpers mit ther
misch und elektrisch leitfähigem Kunststoffkleber befestigt sind,
gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) der Metallkörper besteht aus mehreren, sich zu einer im we sentlichen zylinderförmigen Anordnung ergänzenden Einzelkör pern (1, 2), insbesondere Sektoren oder Segmenten, die gleich zeitig als Stromzuführungen zu den Kaltleitern (11) dienen,
- b) zwischen den Grenzflächen zweier benachbarter Einzelkörper (1, 2) ist mindestens ein keramischer, scheibenförmiger Kaltlei ter (11) enthalten, welcher mit seinen die Belegungen (12) tragenden großen Stirnflächen an jede der beiden Grenzflä chen benachbarter Einzelkörper (1, 2) mittels eines elek trisch und thermisch leitenden Klebers (15) befestigt ist,
- c) zusätzlich sind die benachbarten Einzelkörper (1, 2) unterein ander mechanisch fixiert, indem in je wenigstens zwei an je der Grenzfläche befindlichen Öffnungen (9, 10) elektrisch iso lierender Kunststoff (13) vorhanden ist, der diese Durchlaß öffnungen paarweise durch wenigstens einen Steg (4, 6) aus dem gleichen Kunststoff verbindet,
- d) der Hohlraum, der zwischen zwei Grenzflächen benachbarter Einzelkörper (1, 2) um die Kaltleiter (11) und den Kleber (15) herum verbleibt, ist mit die Kaltleiter (11) vollständig umhüllendem, elektrisch isolierendem Kunststoff (14) gefüllt,
- e) der Kunststoff für die mechanische Fixierung der Einzelkör per (1, 2) und für die Umhüllung (14) der Kaltleiter (11) so wie zur Füllung der Hohlräume besitzt vollständig oder nahezu denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das als Wärmetauscher dienende Metall.
2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gesamtheit der den Metallkörper
bildenden Einzelkörper (1, 2) mit einer die Umfangsfläche des
selben ringförmig umschließenden Umhüllung (7) versehen ist.
3. Heizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kunststoff für die mecha
nische Fixierung der Einzelkörper (1, 2), für die Umhüllung (14)
der Kaltleiter (11), zur Füllung der Hohlräume für die ring
förmige Umhüllung (7) des Metallkörpers aus zu 30 bis 50 Gew.-%
mit Glasfasern und/oder mit Mikrokugeln verstärktem, spritzguß
fähigem, im ausgehärteten Zustand bei Arbeitstemperatur ausrei
chend elastischem Kunststoffmaterial, insbesondere Polyphenylen
sulfid, besteht.
4. Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußeren Abmessungen der ringför
migen Umhüllung (7) des Metallkörpers für einen späteren Einbau
in ein Rohrleitungssystem (19) dimensioniert sind.
5. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden für die Bildung der me
chanischen Fixierungen benutzten Öffnungen zur jeweiligen Grenz
fläche der Einzelkörper (1, 2) hin über die gesamte Dicke des
Metallkörpers geöffnet sind und diese beiden Öffnungen dadurch
miteinander einen Verbindungskanal (8) ergeben, der ebenfalls
mit Kunststoff gefüllt ist und einen Steg (4) darstellt.
6. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Ausbildung eines Steges (6) die
Kunststoffüllungen (13) der beiden Öffnungen (9, 10) beidseitig
über den Metallkörper hinausragen und diese herausragenden En
den durch dasselbe Kunststoffmaterial miteinander verbunden
sind.
7. Heizelemente nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stromzuleitung zu einem Einzelkör
per über mindestens einen, in mindestens eine Durchlaßöffnung
gesteckten Stecker erfolgt.
8. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stromzuführung zu einem Einzelkör
per (2) über eine an diesen angeformte Lasche (17) erfolgt.
9. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stromzuführungen einander diame
tral gegenüberstehen und als Stifte (21, 22) so ausgebildet sind,
daß das Heizelement nach Einbau in ein Rohrleitungssystem (19)
drehbar ist.
10. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Verringerung des Strömungswider
standes sich auf der Einlaßseite der Einzelkörper (1, 2) koni
sche Einlaßöffnungen so überschneiden, daß aneinander grenzen
de Durchlaßöffnungen (3) durch scharfe Kanten (5) voneinander
getrennt sind.
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