DE10060301A1

DE10060301A1 - Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper

Info

Publication number: DE10060301A1
Application number: DE2000160301
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Tupaika; Hans-Juergen Voigtsberger; Dieter Gruetzmann
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Keramische Technologien und Systeme IKTS
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: DE10060301B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einfachen Fertigungsverfahren für elektrische Widerstandsheizelemente der genannten Art anzuwenden und dabei alle Reserven bezüglich der spezifischen elektrischen Leistung pro Volumeneinheit auszuschöpfen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC-Widerstand), wobei die von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle metallisierte Wandungen aufweisen, die von den Stirnflächen des Wabenkörpers her durch eine Stirnflächenmetallisierung schachbrettartig wechselseitig elektrisch kontaktiert sind, dadurch gelöst, daß in der Metallisierung (3) der Wandungen der Kanäle entsprechend einem Schachbrettmuster wechselseitig von den Stirnflächen her ein Isolationsbereich (1) ausgespart ist, während die Stirnflächenmetallisierung (2) die Stirnflächen vollständig bedeckt. DOLLAR A Mögliche Anwendungsgebiete (ohne Beschränkung darauf) der Erfindung sind die Beheizung von Fahrzeugen und zwar: DOLLAR A - KFZ-Zusatzheizung, DOLLAR A - Frontscheibenheizung bei kaltem Motor, DOLLAR A - alleinige Heizung bei Elektrofahrzeugen DOLLAR A oder kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raum-Heizlüfter.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand). Solche Heizelemente nutzen zum einen die mögliche, innige Berührung eines durch die Kanäle des Wabenkörpers geleiteten Fluids mit dem Entstehungsort der Wärme, wodurch ein guter Wärmeübergang erreicht wird und zum anderen die strombegrenzende Wirkung der PTC-Widerstände, welche ohne jeglichen, zusätzlichen Regelungsaufwand automatisch jegliche Überhitzung des Widerstandsheizelementes verhindert. Wenn der Betriebsstrom quasi quer zur Strömungsrichtung des Fluids durch die Wandungen der Wabenkörperkanäle geleitet werden kann, vergrößert sich das anwendbare Betriebsspannungsintervall deutlich und ist im wesentlichen von den spezifischen Werkstoffparametern abhängig. Es besteht ein größerer Freiheitsgrad bei der Bemessung, da bei Stromfluß in Kanalrichtung, selbst bei Netzspannung, die realisierbare Kanallänge sehr begrenzt ist.
Eine bekannt gewordene, technische Lösung, die nicht auf einem Wabenkörper beruht, diesem jedoch im Wärmetauschprinzip recht nahe kommt und auch PTC- Widerstände enthält, besteht darin, daß quaderförmige PTC-Körper abwechselnd mit mäanderförmig gewellten Metallstreifen geschichtet sind und zusammengepreßt werden. Die Metallstreifen dienen einmal als Stromzuführung für die PTC- Körper und zum anderen als Wärmetauscher, indem sie quer zum flächig gestalteten Stapel von einem Fluid durchströmt werden (Firmendruckschrift "PTC- Kaltleiter-Heizregister, Typ HR 02" der Firma David & Bader GmbH, Kandel). Aus dieser Anordnung folgen die beiden prinzipiellen Mängel derselben: Die kraftschlüssige, elektrische Kontaktierung ist technologisch aufwendig und kann trotz der eingangs geschilderten Selbstregelwirkung der PTC-Widerstände infolge von Übergangswiderständen zu einer unregelmäßigen Temperaturverteilung führen. Das Gleiche gilt für den Wärmestrom in Richtung vom PTC-Körper zum Metallstreifen, wobei auch zugleich deutlich wird, daß der Wärmeaustausch nicht direkt am Entstehungsort der Wärme, sondern indirekt an den gewellten Metallstreifen erfolgt.
Weiter ist ein Wabenkörper zum elektrischen Heizen bekannt, bei dem gewellte Lagen einer typisch halbleitenden Keramik mit solchen aus Metall oder graphithaltigen Stoffen abwechseln, die als Stromzuführungen dienen sollen (Patent Abstract of Japan Nr. 02 129 887 A). Abgesehen davon, daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Veröffentlichung als Widerstandsmaterial Silizium- und Titancarbide und -silicide nennt, deren elektrischer Widerstand mit steigender Spannung abnimmt, so daß sie die oben erwähnte Selbstbegrenzungswirkung vermissen lassen, ist ein solcher stoffschlüssiger Verbund verschiedener Werkstoffe schwierig herstellbar, und die Haltbarkeit kann unter dem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhalten der einzelnen Bestandteile leiden.
Es ist auch ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zur Anwendung in einer Automobil-Klimanalage bekannt, wobei eine Kontaktierung zum einen durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Wabenkörpers und zum anderen durch in den Anfangsbereich eines jeden Kanals hineinreichende Anschlußdrähte angedeutet ist (US 4.866.365). Eine Kontaktierung durch Anschlußdrähte ist bei kleinen Abmessungen der Kanäle fertigungstechnisch sehr problematisch und stört auch die Strömungsverhältnisse in den Kanälen in nachhaltiger Weise.
Weiterhin ist ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zum Aufheizen hindurchströmender Gas bekannt, bei welchem die elektrische Kontaktierung der metallisierten Kanalwandungen über gleichfalls metallisierte, stirnseitige Schlitze in den Kanalwandungen erfolgt, wobei diese die Kanäle untereinander zur Verwirklichung der erforderlichen Schachbrett-Polarität in diagonaler Richtung verbinden (DE 30 16 725 A1). Diese technische Lösung ist gleichfalls aus fertigungstechnischen Gründen und wegen der Strömungsverhältnisse unvorteilhaft. Weiterhin dürfte wegen der Kerbwirkung der Schlitze auch die Festigkeit des Wabenkörpers beeinträchtigt werden.
Schließlich sind Widerstandsheizelemente der beschriebenen Art bekannt, bei denen die Kontaktierung ausschließlich durch ein Kontaktierungsmuster bzw. eine andere, flächenhafte Kontaktierungsanordnung auf durchgehend ebenen Stirnflächen erfolgt, und zwar für Gleichstrom, entsprechend der bekannten Schachbrettanordnung (DE 198 04 496 A1) und für Drehstrom mittels ganz spezieller Metallisierungsmuster, vorzugsweise, aber nicht ausschließlich bei Kanälen mit dreieckigem oder sechseckigem Querschnitt (US 4.717.813 A). Diese Anordnungen haben folgende Nachteile:

- Die Breite der Leiterbahnen auf den Stirnflächen ist geometrisch durch die Wanddicke des Wabenkörpers begrenzt, wobei zusätzlich noch der erforderliche Isolationsabstand zu den elektrisch gegenpoligen Kanälen einzuhalten ist.
- Die Innenkontaktierung der Kanäle ermöglicht prinzipiell höhere, spezifische, elektrische Leistungen derartiger Widerstandsheizelemente, wodurch jedoch zwangsläufig höhere Ströme in den Kontaktierungsmustern bedingt sind, so daß dort konstruktionsbedingt die höchsten Stromdichten auftreten.
- Die maximal zulässige Strombelastung der Kontaktierungsmuster führt zu einer Begrenzung des ansonsten prinzipiell möglichen Leistungsspektrums der Widerstandsheizelemente mit Wabenkörper.
- Die Fertigungsverfahren zum Aufbringen der filigranen Leiterbahnen der Kontatierungsmuster sind sehr aufwendig, und wegen der Fertigungstoleranzen sowohl des Aufbringungsverfahrens der Leiterbahnen als auch der Dicke der Kanalwandungen der Wabenkörper müssen jene noch schmaler ausgeführt werden, als dies zur elektrischen Isolation des Gegenpols eigentlich notwendig wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einfacheren Fertigungsverfahren für elektrische Widerstandsheizelemente der genannten Art sowie die Ausschöpfung der Reserven solcher Widerstandsheizelemente nach dem Stand der Technik bezüglich der spezifischen, elektrischen Leistung pro Volumeneinheit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Folgende Vorteile werden durch die Erfindung erzielt:

- Die Metallisierungen der Kanalwandungen werden jeweils nur auf einer Seite bis zur Stirnfläche geführt und sind dort kontaktiert. Auf der anderen Seite endet die Metallisierung eine gewisse Strecke vor der Stirnfläche, wodurch sich eine Isolation ergibt. Bei Kleinspannung ist 1 mm für diese Strecke ausreichend.
- Die Kontaktierung bzw. Nichtkontaktierung der Metallisierung der Wandungen der Kanäle wechselt schachbrettartig, so daß die Betriebsspannung jeweils zwischen zwei benachbarten Kanälen anliegt.
- Die erfindungsgemäße durchgehende Metallisierung der Stirnflächen führt zu einer wesentlich höheren Stromtragfähigkeit und ermöglicht damit die geforderte Ausnutzung des Leistungsspektrums dieses Typs von elektrischen Widerstandsheizelementen.
- Die erfindungsgemäße, durchgehende Metallisierung der Stirnflächen ist fertigungstechnisch wesentlich einfacher als das Aufbringen feiner Leiterbahnstrukturen, wie es beim der Erfindung am nächsten kommenden Stand der Technik vorgesehen ist.

Interessante Anwendungsgebiete der Erfindung ergeben sich bei der Beheizung von Fahrzeugen, ohne sich darauf zu beschränken, wie beispielsweise:

- Kfz.-Zusatzheizung, wenn die Abwärme moderner, sparsamer Verbrennungsmotoren nicht mehr zur Heizung ausreicht,
- schnelle Frontscheibenheizung bei kaltem Motor,
- alleinige Heizung bei Elektrofahrzeugen.

Weitere, ebenfalls nicht einschränkend aufzufassende Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich für kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raum-Heizlüfter.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die beigefügte Zeichnung ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes.

Unabhängig von der technischen Ausführung der erfindungswesentlichen Kontaktierung wird zunächst beispielhaft ein geeigneter Wabenkörperwerkstoff und dessen Herstellung beschrieben. Ein solcher Werkstoff ist ein Keramikwerkstoff, welcher der folgenden, chemische Summenformel entspricht:

La_0,0028 Ca_0,22 Ba_0,7772 Ti_1,015 Si_0,02 Mn_0,0006.

Die Ausgangsstoffe (meist zu Oxiden zersetzbare Verbindungen, wie Carbonate, Acetate usw.) werden intensiv gemischt und dann zur Bildung der Oxide schonend geglüht. Dann folgt eine Feinmahlung und schließlich zusammen mit üblichen Plastifikatoren die Extrusionsformgebung zu Wabenkörpern, gefolgt vom keramischen Fertigbrand.

Die fertige Keramik hat folgende, elektrische Eigenschaften:

spezifischer Widerstand bei 20°C: 50 Ωcm
R_max/R_min: 2,2 × 10⁵
Tc: 100°C
T_max: 232°C
Spannungsfestigkeit: > 150 V/mm

Die beigefügte Zeichnung spricht weitgehend für sich selbst. Der schematisch angedeutete Wabenkörper mit quadratischem Kanalquerschnitt weist grau schattierte Metallisierungen auf, nämlich durchgehend auf den Stirnflächen, von denen naturgemäß nur eine sichtbar und mit der Bezugszahl 2 versehen ist, sowie auf den Wandungen der Kanäle und mit der Bezugszahl 3 versehen. Erfindungswesentlich sind die ausgesparten Isolationsbereiche 1, wobei anzumerken ist, daß selbstverständlich dort, wo keine Isolierbereiche 1 vorgesehen sind, wie in dem Kanal mit der Bezugszahl 3 für eine gute, elektrische Verbindung zwischen den Metallisierungen 2 und 3 Sorge zu tragen ist.

Claims

Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC- Widerstand), wobei die von einem zu erwärmenden Medium zu durchströmenden Kanäle metallisierte Wandungen aufweisen, die von den Stirnflächen des Wabenkörpers her unter Freilassung der Kanalquerschnitte durch eine Stirnflächenmetallisierung schachbrettartig wechselseitig elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Metallisierung (3) der Wandungen der Kanäle entsprechend dem Schachbrettmuster wechselseitig von den Stirnflächen her ein Isolationsbereich (1) ausgespart ist, während die Stirnflächenmetallisierung (2) die Stirnflächen vollständig bedeckt.