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Title:
ELECTRICAL RESISTANCE HEATING ELEMENT WITH A HONEYCOMB BODY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/053100
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is the application of simple production methods for electrical resistance heating elements with a honeycomb body and use total capacity with regard to the specific electrical power per volume unit. Said aim is achieved for an electrical resistance heating element with a honeycomb body of resistance material with positive temperature coefficients for the resistance (PTC resistance), in which the channels, for throughflow of a medium for heating, comprise metallised walls and are electrically alternately contacted after the fashion of a chess-board on the front faces of the honeycomb body by means of a front face metallisation, whereby an insulation region (1) is alternately let into the metallisation (3) on the walls of the channels running from the front faces, whilst the front face metallisation (2) completely covers the front faces. Possible fields of application for the above (without limitation thereto) are particularly additional heaters and windscreen heaters in motor vehicles or small, self-regulating and rapidly-responding room space heaters.

Inventors:
TUPAIKA FRIEDHELM (DE)
VOIGTSBERGER HANS-JUERGEN (DE)
GRUETZMANN DIETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/014834
Publication Date:
June 26, 2003
Filing Date:
December 15, 2001
Export Citation:
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Assignee:
HERMSDORFER INST TECH KERAMIK (DE)
TUPAIKA FRIEDHELM (DE)
VOIGTSBERGER HANS-JUERGEN (DE)
GRUETZMANN DIETER (DE)
International Classes:
B60L1/02; F02M31/135; H05B3/00; H05B3/10; H05B3/03; H05B3/14; (IPC1-7): H05B3/10; H05B3/14; H05B3/00; F02M31/135
Foreign References:
US4180901A1980-01-01
US4107515A1978-08-15
US4570046A1986-02-11
Attorney, Agent or Firm:
Däsch, Götz (Hermsdorf, DE)
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Description:
Elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Wabenkörper Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einem Waben- körper aus Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Wi- derstand). Solche Heizelemente nutzen zum einen die mögliche innige Berührung eines durch die Kanäle des Wabenkörpers geleiteten Fluids mit dem Entste- hungsort der Wärme, wodurch ein guter Wärmeübergang erreicht wird und zum anderen d. ie strombegrenzende Wirkung der PTC-Widerstände, welche ohne jeg- lichen zusätzlichen Regelungsaufwand automatisch jegliche Überhitzung des Wi- derstandsheizelementes verhindert. Wenn der Betriebsstrom quasi quer zur Strö- mungsrichtung des Fluids durch die Wandungen der Wabenkörperkanäle geleitet werden kann, vergrößert sich das anwendbare Betriebsspannungsintervall deut- lich und ist im wesentlichen von den spezifischen Werkstoffparametern abhängig.

Es besteht ein größerer Freiheitsgrad bei der Bemessung, da bei Stromfluß in Ka- nalrichtung, 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 zusammenge- preßt werden. Die Metallstreifen dienen einmal als Stromzuführung für die PTC- Körper und zum anderen als Wärmetauscher, indem sie quer zum flächig gestal- teten 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 kraft- schlüssige 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 Me- tallstreifen, wobei auch zugleich deutlich wird, daß der Wärmeaustausch nicht di- rekt am Entstehungsort der Wärme sondern indirekt an den gewellten Metallstrei- fen erfolgt.

Weiter ist ein Wabenkörper zum elektrischen Heizen bekannt, bei dem gewellte Lagen einer typisch halbleitenden Keramik mit solchen aus Metall oder graphithal- tigen Stoffen abwechseln, die als Stromzuführungen dienen sollen (Patent Ab- stract of Japan Nr. 02 129 887 A). Abgesehen davon, daß das bevorzugte Aus- führungsbeispiel 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 Werk- stoffe 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 An- schlußdrähte ist bei kleinen Abmessungen der Kanäle fertigungstechnisch sehr problematisch und stört auch die Strömungsverhältnis in den Kanälen in nachhal- tiger Weise.

Weiterhin ist ein PTC-Wabenkörper mit innen allseitig metallisierten Kanälen zum Aufheizen hindurchströmender Gas bekannt, bei weichem die elektrische Kontak- tierung der metallisierten Kanalwandungen über gleichfalls metallisierte, stirnseiti- ge 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 ferti- gungstechnischen Gründen und wegen der Strömungsverhältnisse unvorteilhaft.

Weiterhin dürfte wegen der Kerbwirkung der Schlitze auch die Festigkeit des Wa- benkörpers 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 Stirnflä- chen erfolgt und zwar für Gleichstrom entsprechend der bekannten Schachbrett- anordnung (DE 198 04 496 A1) und für Drehstrom mittels ganz spezieller Metall- sierungsmuster, vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, bei Kanälen mit dreiek- kigem oder sechseckigem Querschnitt (US 4.717. 813 A). Diese Anordnung 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 Wider- standsheizelemente mit Wabenkörper.

- Die Fertigungsverfahren zum Aufbringen der filigranen Leiterbahnen der Konta- tierungsmuster sind sehr aufwendig und wegen der Fertigungstoleranzen sowohl des Aufbringungsverfahrens der Leiterbahnen als auch der Dicke der Kanalwan- dungen der Wabenkörper müssen jene noch schmaler ausgeführt werden, als dies zur elektrischen Isolation des Gegenpoles eigentlich notwendig wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einfachere Fertigungsverfahren für elektrische Widerstandsheizelemente der genannten Art sowie die Ausschöpfung der Reserven solcher Widerstandsheizelemente nach dem Stand der Technik be- züglich der spezifischen elektrischen Leistung pro Volumeneinheit zu ermögli- chen.

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 Isolat- on 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 zwi- schen zwei benachbarten Kanälen anliegt.

- Die erfindungsgemäße durchgehende Metallisierung der Stirnflächen führt zu ei- ner wesentlich höheren Stromtragfähigkeit und ermöglicht damit die geforderte Ausnutzung des Leistungsspektrums dieses Typs von elektrischen Wider- standsheizelementen.

- Die erfindungsgemäße durchgehende Metallisierung der Stirnflächen ist ferti- gungstechnisch wesentlich einfacher als das Aufbringen feiner Leiterbahnstruktu- ren, wie es beim der Erfindung am nächsten kommenden Stand der Technik vor- gesehen 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 Verbrennungsmo- toren nicht mehr zur Heizung ausreicht, - schnelle Frontscheibenheizung bei kaltem Motor - alleinige Heizung bei Elektrofahrzeugen.

Weitere, ebenfalls nicht einschränkend aufzufassende, Verwendungsmöglichkei- ten ergeben sich für kleine, selbstregelnde und schnell ansprechende Raum-Heiz- lüfter.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrie- ben. Die beigefügte Zeichnung ist eine schematische perspektivische Ansicht ei- nes erfindungsgemäßen Widerstandsheizelementes.

Unabhängig von der technischen Ausführung der erfindungswesentlichen Kontak- tierung wird zunächst beispielhaft ein geeigneter Wabenkörperwerkstoff und des- sen Herstellung beschrieben. Ein solcher Werkstoff ist ein Keramikwerkstoff, wel- cher der folgenden chemische Summenformel entspricht : Lao, ooze Cao, 22 Bao, 7772 Ti1, 015 siO, 02 Mnsooo6 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 kerami- schen Fertigbrand.

Die fertige Keramik hat folgende elektrischen Eigenschaften : spezifischer Widerstand bei 20 °C: 50 #cm Rmax/Rmin: 2,2 x 105 Tc : 100 °C <BR> 232 °C<BR> tax : Spannungsfestigkeit : > 150 V/mm.

Die beigefügte Zeichnung spricht weitgehend für sich selbst. Der schematisch an- gedeutete Wabenkörper mit quadratischem Kanalquerschnitt weist grau schattier- te 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. Erfindungswe- sentlich 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.