Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement für die Beheizung strömender Medien.

Elektrische Widerstandsheizelemente in Form von Wabenkörpern, Rohrbündeln oder Mehrlochplatten werden häufig zum Beheizen strömender Medien wie Luft oder nichtleitenden Flüssigkeiten wie Silikonöl, Glykol, Hydrauliköl, Benzin oder Dieselkraftstoff genutzt. Dabei ist in der Regel in dem Widerstandselement eine Vielzahl von Kanälen oder Bohrungen vorhanden, durch die das zu beheizende Medium (Fluid) hindurchströmen kann bzw. hindurchgepumpt wird. Das Volumen des Widerstandsheizelementes wird mehr oder weniger homogen vom Heizstrom durchflössen und erwärmt sich. An der Oberfläche der Kanäle oder Bohrungen findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Widerstandselement und dem Fluid statt. Wie viel Wärme pro Zeiteinheit an das strömende Medium abgegeben wird, hängt unter anderem von der Temperaturdifferenz zwischen Widerstandskörper und Fluid, von der Größe der Wärmeaustauschfläche, von der Wärmekapazität des Mediums und von dessen Strömungsgeschwindigkeit ab. Selbstverständlich kann das Widerstandselement nur so viel Wärme pro Zeiteinheit an das zu beheizende Medium abgeben, wie es bei der verfügbaren Betriebsspannung U an elektrischer Leistung P umsetzen kann. Die Leistung P bestimmt sich aus P = U2/R. Das heißt, für hohe Heizleistungen muss das Widerstandsheizelement einen niedrigen elektrischen Widerstand R aufweisen. Der Widerstand des Heizelementes wird vom spezifischen Widerstand p des Materials, von der Querschnittsfläche A des Heizers und der Länge I der Strompfade bestimmt: R=p*l/A. Aus Gründen der einfachen technologischen Handhabung werden nach dem Stand der Technik prismatische Wabenheizkörper oder auch Rohrbündel zur elektrischen Kontaktierung an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten metallisiert, beispielsweise im Siebdruck- oder Walzverfahren. Daraus ergibt sich, dass die Elektrodenfläche A gleich der Stirnfläche der Wabenkörper, vermindert um die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle, durch die das Medium hindurchfließt, ist. Die Länge I der Strompfade ist identisch mit der Länge der Kanäle. Der spezifische Widerstand der Widerstandsmaterialien lässt sich nicht beliebig vermindern, insbesondere für keramische Widerstandskörper mit PTC-Charakteristik liegt die praktisch erreichte Untergrenze bei etwa 5 bis 10 Ω*cm. Daraus ergeben sich bei der Herstellung von Waben, Rohrbündel- oder Mehrkanalheizern zwei Konflikte. Für einen günstigen Wärmeübergang wird eine ausreichend große Kanallänge angestrebt, wodurch sich aber der elektrische Widerstand erhöht und die Heizleistung eingeschränkt wird. Für einen niedrigen Strömungswiderstand des Wabenheizers sollte der durchströmbare Flächenanteil der Wabe möglichst hoch sein. Das heißt aber, dass der verfügbare Flächenanteil für die- Anschlusselektroden kleiner wird, was zu einer zusätzlichen Begrenzung der elektrischen Leistungsaufnahme führt. Zur Lösung des Konflikts wird beispielsweise durch die DE 100 60 301 A1 vorgeschlagen, die Kanäle der Wabenkörper innen zu metallisieren, wobei benachbarte Kanäle auf unterschiedlicher Polarität liegen und die Länge der Strompfade gleich der Wandstärke der Kanäle ist. Diese Lösungsvorschläge erfordern aufwendige technologische Maßnahmen, um ausreichend breite Isolierabstände bzw. Kriechstrecken zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität zu gewährleisten. Außerdem kann es bei geringen Wandstärken, die eigentlich strömungstechnisch vorteilhaft sind, zu Ausfällen infolge von Spannungsdurchschlägen kommen. Zusätzlich besteht bei Wabenkörpern mit Innenmetallisierung das Problem, dass aus technologischen Gründen die Zellweite nach unten und die Kanallänge nach oben eingeschränkt wird. In der DE 102 01 262 A1 wird ein Wabenkörper vorgestellt, der parallel zu den Elektrodenflächen in zwei gleich große Hälften geschnitten wird. Die Schnittflächen werden metallisiert, mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden und anschließend wieder zusammengefügt. Der zweite Pol der Spannungsquelle liegt gleichzeitig an den beiden äußeren Elektrodenflächen dieser Sandwich-Anordnung. Die auf diese Weise elektrisch parallel geschalteten Wabenhälften haben durch die Verdopplung der Elektrodenfläche bei gleichzeitiger Halbierung der Leiterlänge einen viermal geringeren elektrischen Widerstand als die einfache Wabe. Nachteil dieser Anordnung ist der hohe Herstellungsaufwand durch die zusätzlichen Trenn- und Metallisierungsschritte und es befinden sich innerhalb der Kanäle nunmehr Fügestellen. Infolge von schwer vermeidbaren Geometrietoleranzen kann es an diesen Fügestellen zu erheblichen Störungen des Strömungsverlaufes kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für elektrische Widerstandsheizelemente zu schaffen, die technologisch einfach realisierbar ist und mit der zugleich hohe Leistungsdichten erreicht werden können. Es soll möglich sein, Kanalquerschnitt und Kanallänge im Hinblick auf wärme- und strömungstechnische Belange auf den jeweiligen Anwendungsfall zuzuschneiden, ohne dass dabei die Einschränkungen der Metallisierungstechnologie zum Tragen kommen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem elektrischen Fluidheizer aus Keramik¬ oder Polymerverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Kanälen, durch die das zu beheizende Medium strömt, dadurch gelöst, dass der Fluidheizer aus mindestens einem, mit mindestens einem Kanal versehenen Heizelement besteht, dass das Heizelement auf den sich gegenüberliegenden Außenflächen mit Elektrodenflächen beaufschlagt ist, so dass ein Stromfluss zwischen den Elektrodenflächen im Wesentlichen quer zur Richtung der Kanäle erfolgt, und dass mindestens eine der beiden Elektrodenflächen des Heizelementes eine Anschlussfläche aufweist, die auf der angrenzenden Außenfläche des Heizelementes angeordnet ist. Beim Aufbringen der Anschlussflächen ist dabei zur jeweils anderen Elektrodenfläche ein auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittener, mehr oder weniger breiter Isolationsrand einzuhalten. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass beliebig viele technologisch identisch hergestellte, jeweils um die Flächennormale der Elektrodenflächen um 180° gedrehte Heizelemente, aneinander gereiht werden können. Durch die Drehung und Aneinanderfügung der Heizelemente können diese untereinander in Form einer Parallelschaltung über die Anschlussflächen zu einem elektrischen Fluidheizer zusammengefügt werden. Die Verbindung kann dabei durch Klemmen, Kleben oder Löten erfolgen. Dabei werden die Heizelemente exakt parallel ausgerichtet. In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführung können die elektrischen Verbindungsleitungen gleichzeitig zur mechanischen Fixierung der Heizelemente dienen. Der Stromfluss durch den Wabenkörper erfolgt quer zur Strömungsrichtung des Fluides. Der Elektrodenabstand ergibt sich aus der Summe von Zellweite plus doppelter Wandstärke. Er ist damit um ein Vielfaches kürzer als bei Stimkontaktierung. Er erreicht aber nicht die kritischen Werte wie bei einer Innenmetallisierung. Die Prozesssicherheit ist gegenüber der Innenmetallisierung höher, da eventuell vorhandene Löcher oder Schwachstellen in einzelnen Wabenwänden nicht unmittelbar zu Kurzschluss oder Spannungsdurchbruch führen können. Niedrige Widerstandswerte ergeben sich aus der Parallelschaltung der vergleichsweise kurzen Strompfade durch die Kanalwände einzelner Segmente sowie der zusätzlichen Parallelschaltung der Segmente. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, im Extrudierverfahren Profile in Form einreihiger Wabensegmente herzustellen. Diese können präzise und kostengünstig nach dem Sintern auf Länge geschnitten werden. Für die Metallisierung zum Aufbringen der Elektrodenflächen gibt es erprobte Verfahren der Siebdruck- oder Sputtertechnik. Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig.1 schematische Darstellung eines Heizelements Fig. 2 Explosivdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Fluidheizers

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht das Heizelement 1 aus seinen wesentlichen Bestandteilen, den Kanälen 2 und den beiden sich gegenüberliegenden Elektrodenflächen 3, 4. Die erste Elektrodenfläche 3 steht dabei mit der Anschlussfläche 5 in Verbindung. Die zweite Elektrodenfläche 4 steht in dieser Ausführungsform mit keiner Anschlussfläche 5 in Verbindung. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, auch diese zweite Elektrodenfläche 4 mit einer zweiten Anschlussfläche, dann jedoch der ersten Anschlussfläche 5 genau gegenüberliegendend, zu versehen. Der Formkörper des Heizelementes 1 besteht vorzugsweise aus PTC-Keramik, die auf Basis von halbleitendem Bariumtitanat und durch Zusatz organischer Bindemittel und Plastifikatoren zu einer steifplastischen Masse aufbereitet wurde. Im Extrusionsverfahren werden daraus die prismatischen Formkörper mit jeweils einer Reihe von parallelen Kanälen 2 hergestellt und gesintert. Diese werden nach dem Sintern mit Diamanttrennscheiben auf Länge geschnitten. Durch Siebdrucken, Metallspritzen oder Sputtern werden die Formkörper mit geeigneten strukturierten Metallelektroden, beispielsweise aus Aluminium oder Silber, versehen. Die so hergestellten Heizelemente 1 werden jeweils um 180°, bezogen auf die Flächennormale der Elektrodenflächen 3, 4, gedreht und aneinander gereiht. Somit entsteht ein Stapel von Heizelementen 1 , wobei jeweils die erste Elektrodenfläche 3 mit der zweiten Elektrodenfläche 4 des benachbarten Heizelementes 1 in Kontakt treten. Wie a us Fig. 2 ersichtlich, wird über die obere Zuleitung 6 der Kontakt zu den ersten Elektrodenflächen 3 und damit auch zu den anliegenden zweiten Elektrodenflächen 4 über die Anschlussflächen 5 z. B. durch Löten hergestellt. Über die untere Zuleitung 7 wird der Kontakt analog zu den ersten Elektrodenflächen 3 und damit wiederum zu den zweiten Elektrodenflächen 4 über die Anschlussflächen 5 hergestellt. Die Verbindung kann neben dem Löten auch durch Kleben oder Klemmen erfolgen. Durch genau diesen Aufba u ist eine Parallelschaltung der Heizelemente 1 realisiert. Um Kurzschlüsse zwischen den Elektrodenflächen 4 und den Anschlussflächen 5 bzw. den Zuleitungen 6, 7 zu vermeiden, sind bekanntermaßen entsprechende Isoliermaßnahmen zu treffen. Wird beispielsweise ein PTC -Keramikwerkstoff mit einem spezifischen Kaltwiderstand von 1 O Ω*cm zu einem Heizelement 1 gemäß Fig. 1 mit sechs parallelen Kanälen 2 von 20 mm Kanallänge und 2x2 mm Kanalquerschnitt sowie 0,4 mm Wandstärke geformt, so erreicht dieser bei Metallisierung mit seitlichen Anschlusselektroden gemäß Fig. 2 einen Kaltwiderstand von etwa 5 Ω. Die Parallelschaltung von 5 derartigen Wabensegmenten führt zu einem Gesamtwiderstand von 1 Ω. Bei einer Betriebsspannung von 12 V ist damit eine Leistungsaufnahme von 144 Watt möglich. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1. Heizelement 2. Kanal 3. erste Elektrodenfläche 4. zweite Elektrodenfläche 5. Anschlussfläche 6. obere Zuleitung 7. untere Zuleitung