DE10213923A1

DE10213923A1 - A low power heating element has a covering of high heat/low electrical conductivity organic/inorganic plastic material.

Info

Publication number: DE10213923A1
Application number: DE2002113923
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Tupaika; Hans-Juergen Voigtsberger
Original assignee: Votup & Co Innovative Keramik
Current assignee: Fraunhofer Institut fuer Keramische Technologien und Systeme IKTS
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-09

Abstract

A positive temperature coefficient semiconducting heating element has electrical contact terminals attached and is electrically insulated by coating with a high thermal conductivity compound of organic and inorganic material.

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Heizelemente mit einer isolierenden Umhüllung, vorzugsweise für den Bereich kleinerer elektrischer Leistung bis zu etwa einigen hundert Watt. The invention relates to electrical heating elements with an insulating Wrapping, preferably for the range of smaller electrical power up to about a few hundred watts.

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. Commonly known electrical heating elements according to the prior art consist of three main components, namely one electrical heating resistor, electrical insulation and a housing.

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 Metallic and ceramic resistors are used as heating resistors various embodiments with linear resistance temperature Characteristics and semiconductor ceramics with step-like Resistance-temperature characteristics are used

Zur elektrischen Isolierung werden vorzugsweise traditionelle Keramiken und Kunststoffe in Form von kompakten Formteilen, Pulvern, Vergussmassen oder Folien eingesetzt. For electrical insulation, traditional ceramics and Plastics in the form of compact molded parts, powders, casting compounds or Foils used.

Als Gehäuse werden vorzugsweise traditionelle Keramiken; Metalle und Kunststoffe eingesetzt. Traditional ceramics are preferred as housings; Metals and Plastics used.

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. All currently practiced solutions have relatively high internal ones Thermal resistances and are particularly complex and relatively expensive to implement, because because of the often high temperatures they use traditional ceramics as or housing material and thus require complex ceramic processes, the ceramic technologies significantly restrict handling or slow down the use of plastic-based insulation films Application range - especially with regard to the achievable limit temperatures - clearly limits.

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. Direct encapsulation of the heating resistor with polymers (plastics) leads without the special plastic insulation films mentioned, in particular when using ceramic semiconductors as a heating resistor, in the usual operating temperatures at which the temperature gradient up to The outer surface of the casing is to be kept in order to deteriorate the electrical characteristic of the heating resistor z. B. as a result of Oxygen deprivation and thus irreversible changes in the electrical parameters thereof.

Diese technischen Lösungen sind in der Regel wenig innovativ bzw. bieten wenig Ansatzpunkte für innovative Weiterentwicklungen und weisen die genannten Nachteile auf. These technical solutions are usually not very innovative or offer few starting points for innovative further developments and show the mentioned disadvantages.

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. The invention is based, electrical heating elements with a task to create insulating coverings that are easy to manufacture, one have low thermal resistance with good electrical insulation behavior and finally can be operated at higher temperatures than polymer-coated heating elements.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst. This object is achieved by the one described in the claims Invention solved.

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. The invention has the following advantageous effects:
Due to the direct encapsulation with the organic-inorganic composite material, which is often also referred to as "polymer ceramic", the new products have practically no internal thermal resistance caused by air pockets and thus a lower overall thermal resistance than conventional heating elements.

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. This allows higher at the same heater temperatures Surface temperatures are generated, or at the same surface temperature Heat generation inside the heater at a lower level respectively. Higher reliability values of the heating elements can thus be expected become.

Die neuen Produkte zeichnen sich weiter dadurch aus, dass die Polymerkeramik gleichzeitig als Träger-, Isolier- und Gehäusematerial dient. The new products are further characterized by the fact that Polymer ceramics also serve as carrier, insulation and housing material.

Die neuen Produkte zeichnen sich weiter dadurch aus, dass mit dem Umspritzen gleichzeitig ein Fügen des Heizers, der Anschlüsse, der Befestigungs- und Wärmeleitelemente erfolgt. The new products are characterized by the fact that with the Injection molding of the heater, the connections, the fastening and Thermally conductive elements.

Damit kann das System mechanisch, thermisch und elektrisch optimaler gestaltet. This allows the system to be mechanically, thermally and electrically optimal designed.

Das Umspritzen ermöglicht mehr Freiheiten in der geometrisch optimalen Gestaltung der Elemente und Ankopplung an die zu heizenden Objekte. The overmolding allows more freedom in the geometrically optimal Design of the elements and coupling to the objects to be heated.

Das Verfahren des Umspritzens mit Polymerkeramik sollte kostengünstiger als die bisherigen Montageverfahren mit traditionellen Isolier- und Gehäusematerialien sein. The process of extrusion coating with polymer ceramic should be less expensive than the previous assembly processes with traditional insulation and Housing materials.

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. An exemplary embodiment of the invention is given below:
The electric heating element z. B. from a semiconductor ceramic with positive jump characteristics in the resistance-temperature characteristic (PTC ceramic) is with a special polymer ceramic, an inorganic-organic composite material z. B. Cermosil® 600 (company publication P02 / 99 "polymer ceramics..." Of the Hermsdorfer Institute for Technical Ceramics eV), which is characterized by high heat resistance greater than 600 ° C, high tracking resistance greater than 550 CTI and high thermal conductivity greater than 4 W / mK distinguished, extrusion-coated at low temperatures.

Claims

1. Electric heating element with an insulating covering, characterized in that this covering
consists of an organic-inorganic composite material in which the organic matrix has a chemical bond with the surface of embedded inorganic particles and
encloses a heating resistor tightly fitting on all sides apart from the necessary electrical connection elements.

2. Electric heating element according to claim 1, characterized in that the organic matrix of the composite is an organic silicon Compound and the inorganic particles are clay minerals.

3. Electric heating element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the covering is produced by extrusion coating.

4. Electric heating element according to claim 1 or 2, characterized in that the envelope is made by pressing.

5. Electric heating element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the heating resistor made of a resistance alloy consists.

6. Electrical heating element according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the heating resistor made of a ceramic semiconductor consists.

7. Electrical heating element according to claim 6, characterized in that the ceramic semiconductor has a positive temperature coefficient (PTC) having.