DE10213923A1 - Elektrisches Heizelement - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Heizelemente mit einer isolierenden Umhüllung zu schaffen, welche einfach herstellbar sind, einen geringen Wärmewiderstand bei gutem elektrischen Isolationsverhalten besitzen und schließlich bei höheren Temperaturen betrieben werden können als polymerumhüllte Heizelemente. DOLLAR A Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Heizelement mit isolierender Umhüllung dadurch gelöst, daß diese Umhüllung DOLLAR A - aus einem organisch-anorganischen Verbundwerkstoff besteht, bei welchem die organische Matrix mit der Oberfläche eingelagerter anorganischer Partikel eine chemische Verbindung eingegangen ist und DOLLAR A - einen Heizwiderstand, abgesehen von notwendigen elektrischen Anschlußelementen, allseitig dicht anliegend umschließt. DOLLAR A Die Erfindung ist für jegliche elektrische Heizungen kleinerer elektrischer Leistung bis zu etwa einigen hundert Watt anwendbar.

Description

• Die Erfindung betrifft elektrische Heizelemente mit einer isolierenden Umhüllung, vorzugsweise für den Bereich kleinerer elektrischer Leistung bis zu etwa einigen hundert Watt.
• Allgemein bekannte elektrische Heizelemente nach dem Stand der Technik bestehen im Wesentlichen aus drei Hauptbestandteilen, nämlich einem elektrischen Heizwiderstand, einer elektrischen Isolierung und einem Gehäuse.
• Als Heizwiderstände kommen metallische und keramische Widerstände in den verschiedensten Ausführungsformen mit linearer Widerstands-Temperatur- Charakteristik und Halbleiterkeramiken mit sprungartiger Widerstands-Temperatur-Charakteristik zum Einsatz
• Zur elektrischen Isolierung werden vorzugsweise traditionelle Keramiken und Kunststoffe in Form von kompakten Formteilen, Pulvern, Vergussmassen oder Folien eingesetzt.
• Als Gehäuse werden vorzugsweise traditionelle Keramiken; Metalle und Kunststoffe eingesetzt.
• Alle zurzeit praktizierten Lösungen besitzen relativ hohe innere Wärmewiderstände und sind insbesondere aufwendig und relativ teuer zu realisieren, weil sie wegen der oft hohen Temperaturen traditionelle Keramiken als Träger- oder Einhausungsmaterial und damit aufwendige Keramikprozesse benötigen, die Keramiktechnologien das Handling deutlich einschränken bzw. verlangsamen, die Verwendung von kunstoffbasierten Isolationsfolien die Applikationsbreite - insbesondere bezüglich der erzielbaren Grenztemperaturen - deutlich einschränkt.
• Ein direktes Umspritzen des Heizwiderstandes mit Polymeren (Kunststoffen) ohne die erwähnten speziellen Kunststoff-Isolationsfolien führt, insbesondere bei der Verwendung keramischer Halbleiter als Heizwiderstand, bei den üblichen Betriebstemperaturen, bei denen auch das Temperaturgefälle bis zur Außenfläche der Umhüllung vorzuhalten ist, zu einer Verschlechterung der elektrischen Charakteristik des Heizwiderstandes z. B. infolge von Sauerstoffentzug und damit zu irrreversiblen Änderungen der elektrischen Kennwerte desselben.
• Diese technischen Lösungen sind in der Regel wenig innovativ bzw. bieten wenig Ansatzpunkte für innovative Weiterentwicklungen und weisen die genannten Nachteile auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Heizelemente mit einer isolierenden Umhüllungen zu schaffen, welche einfach herstellbar sind, eine geringen Wärmewiderstand bei gutem elektrischen Isolationsverhalten besitzen und schließlich bei höheren Temperaturen betrieben werden können als polymerumhüllte Heizelemente.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.
• Die Erfindung hat folgende vorteilhaften Auswirkungen:
  Durch das direkte Umspritzen mit dem oft auch als "Polymerkeramik" bezeichneten organisch-anorganischen Verbundwerkstoff besitzen die neuen Produkte praktisch keinen durch Lufteinschlüsse verursachten inneren Wärmewiderstand und damit insgesamt einen geringeren Wärmewiderstand als herkömmliche Heizelemente.
• Dadurch können bei gleichen Heizertemperaturen höhere Oberflächentemperaturen erzeugt werden, bzw. bei gleicher Oberflächentemperatur die Wärmeerzeugung im Inneren des Heizers auf einem niedrigeren Niveau erfolgen. Es können somit höhere Zuverlässigkeitswerte der Heizelemente erwartet werden.
• Die neuen Produkte zeichnen sich weiter dadurch aus, dass die Polymerkeramik gleichzeitig als Träger-, Isolier- und Gehäusematerial dient.
• Die neuen Produkte zeichnen sich weiter dadurch aus, dass mit dem Umspritzen gleichzeitig ein Fügen des Heizers, der Anschlüsse, der Befestigungs- und Wärmeleitelemente erfolgt.
• Damit kann das System mechanisch, thermisch und elektrisch optimaler gestaltet.
• Das Umspritzen ermöglicht mehr Freiheiten in der geometrisch optimalen Gestaltung der Elemente und Ankopplung an die zu heizenden Objekte.
• Das Verfahren des Umspritzens mit Polymerkeramik sollte kostengünstiger als die bisherigen Montageverfahren mit traditionellen Isolier- und Gehäusematerialien sein.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung angegeben:
  Das elektrische Heizelement z. B. aus einer Halbleiterkeramik mit positiver Sprungcharakteristik in der Widerstands-Temperatur-Kennlinie (PTC-Keramik) ist mit einer speziellen Polymerkeramik, einem anorganisch-organischen Kompositwerkstoff z. B. Cermosil® 600 (Firmendruckschrift P02/99 "Polymerkeramiken . . ." des Hermsdorfer Institutes für Technische Keramik e. V.), der sich durch hohe Wärmebeständigkeit größer 600°C, hohe Kriechstromfestigkeit größer 550 CTI und hohe Wärmeleitfähigkeit größer 4 W/mK auszeichnet, bei niedrigen Temperaturen direkt umspritzt.

Claims (7)

1. Elektrisches Heizelement mit isolierender Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Umhüllung
aus einem organisch-anorganischen Verbundwerkstoff besteht, bei welchem die organische Matrix mit der Oberfläche eingelagerter anorganischer Partikel eine chemische Verbindung eingegangen ist und
einen Heizwiderstand abgesehen von notwendigen elektrischen Anschlußelementen allseitig dicht anliegend umschließt.

2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Matrix des Verbundwerkstoffes eine siliziumorganische Verbindung und die anorganischen Partikel Tonmineralien sind.

3. Elektrisches Heizelement nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch Umspritzen hergestellt ist.

4. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung durch Umpressen hergestellt ist.

5. Elektrisches Heizelement nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand aus einer Widerstandslegierung besteht.

6. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand aus einem keramischen Halbleiter besteht.

7. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Halbleiter einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) aufweist.