DE2948592A1 - Elektrisches widerstandsheizelement - Google Patents

Description

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DR. ING. HANS LICHTl DIPL. ING. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. KLAUS LEUTWEIN

PATENTANWÄLTE 9 9 / R 5 9

D-7500 KARLSRUHE 41 (CRÖTZINCEN) DU R LA C H ER ST R. 31 (H OC HH AUS) TELEFON (0721) 48511 · TELEX 7825986 LIPA D

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Firma Fritz Eichenauer
D-6744 Kandel

Elektrisches Widerstandsheizelement

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement, mit mindestens einem Heizleiter in Form eines an gegenüberliegenden Flächen mit einer Kontaktierung versehenen Elements aus einem Material mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (PTC-Element) sowie mit zwei im wesentlichen ebenen Kontaktblechen, wobei die Kontaktbleche mit den dazwischen gelegten PTC-Elementen als Kontaktanordnung im Verbund gehalten sind.

Bei Elektrowärmegeräten, insbesondere elektrisch beheizten Hausgeräten wie Kaffeemaschinen, Heizlüfter, Haarföne usw. werden in zunehmendem Maße anstelle herkömmlicher Widerstandsheizelemente, deren Heizleiter

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aus einem metallischen Draht besteht, solche Widerstandsheizelemente eingesetzt, deren Heizleiter ein oder mehrere PTC-Elemente sind. Solche PTC-Elemente haben überIicherweise prismenförmige Gestalt mit zwei gegenüberliegenden planparallelen Flächen und rundem oder polygonalem Grundriß, bestehen gewöhnlich aus einem Keramikmaterial, insbesondere auf Bariumtitanat-Basis und haben die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen Leistungsaufnahme gleichsam selbst stabilisieren, weil der elektrische Widerstand in einem bestimmten Temperaturbereich stark zunimmt. Der elektrische Anschluß dieser PTC-Elemente erfolgt gewöhnlich dadurch, daß die zwei gegenüberliegenden Flächen durch eine in geeigneter Weise aufgebrachte Metallisierung kontaktiert und durch Anschlußelemente an eine Stromzuführung angeschlossen werden.

Die elektrische Leistungsaufnahme und damit die erreichbare Wärmeabgabe hängt bei PTC-Elementen wesentlich von der Wärmeabfuhr und damit davon ab, daß ein geringer Wärmewiderstand zu den zu erwärmenden Bauteilen bzw. Medien besteht. Bei hohem Wärmewiderstand gelangt das PTC-Element schon bei geringer Leistungsaufnahme in den Bereich der Übergangstemperatur, in dem der elektrische Widerstand stark zunimmt. Damit werden zwar die nachteiligen Folgen einer Überhitzung vermieden, die Wärmeleistung bleibt aber unbefriedigend. Daraus folgt, daß ein geringer Wärmewiderstand anzustreben ist.

Es ist bekannt (vgl. DE-OS 26 14 433), PTC-Elemente in eine rohrförmige Hülse einzusetzen und den Anschluß mit federnden Schienen vorzunehmen, die zugleich der Wärmeableitung dienen. Ferner ist es bekannt (vgl. DE-AS 26 41 894) , die PTC-Elemente mit Anschlußdrähten zu

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verbinden, beispielsweise durch Löten, und mit einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Masse in einem Gehäuse einzubetten. Diese bekannten Maßnahmen lassen sich nur verhältnismäßig aufwendig und mit beträcht lichem Einsatz von Handarbeit verwirklichen, eignen sich jeweils nur für einen sehr begrenzten Anwendungsbereich und lassen vor allem hinsichtlich der Wärmeableitung von den PTC-Elementen zu wünschen übrig.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist bereits vorgeschlagen worden (vgl. Patentanmeldung P 28 45 965.6-34) , wie eingangs angegeben, als ,Anschlußelemente zwei im wesentlichen ebene Kontaktbleche vorzusehen und eine aus diesen Kontaktblechen mit dem dazwischen gelegten PTC*·Element (bzw. mehreren PTC-Elementen) gebildete sandwichartige Kontaktanordnung zu bilden, die elastisch zusammengehalten wird. Die Kontaktbleche sind dabei an den Grundriß der PTC-Elemente angepaßt und werden durch randseitig aufgesetzte Haltelemente zusammengehalten. Der damit gegebene Zusammenhalt sichert eine problemlose Manipulierbarkeit einer solchen Kontaktanordnung, er gewährleistet aber nicht d en für den Wärmeübergang notwendigen Andruck zwischen Kontaktblechen und PTC-Elementen. Dieser betriebsmäßig erforderliche Andruck wird erst beim Einbau in ein Gerät dadurch aufgebracht, daß die Kontaktanordnung mit entsprechenden Geräteteilen verspannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstands-. heizelement der eingangs angegebenen und vorstehend erläuterten Gattung zu einer in verschiedensten Anwendungsfällen einsetzbaren selbständigen Baueinheit auszugestalten, die unabhängig von weiteren EinbaumaBen optimale Wärmeableitung vom PTC-Element gewährleistet und sich in einfacher und kostengünstiger Weise herstellen läßt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektrischen Widerstandsheizelement der eingangs angegebenen Gattung gelöst, das gekennzeichnet ist durch eine Hülse aus elektrisch isolierendem, wärmeleitfähigem Material mit einem Innenraum, dessen lichter Querschnitt an den Querschnitt der Kontaktanordnung angepaßt ist, wobei die Kontaktanordnung unter zur Ebene der Kontaktbleche senkrechter Pressung in den Innenraum der Hülse eingeschoben ist. - Die erfindungsgemäß vorgesehene Hülse ist, wieder Begriff impliziert, umfangsseitig geschlossen und weist einen Innenraum auf, der zum Einschieben der Kontaktanordnung an mindestens einer Seite offen ist. Die Außenfläche der Hülse kann entsprechend den Einbaubedingjngen in einem Gerät weitgehend beliebig gestaltet, insbesondere beispielsweise bei einer Ausführungsform als "Heizpatrone" zylindrisch ausgebildet sein, wobei der Innenraum sich parallel sich zur Zylinderachse erstreckt. Da die Breite von Kontaktblechen und PTC-Element überIicherweise im wesentlichen übereinstimmt, ist der Querschnitt der Kontaktanordnung im wesentlichen rechteckig und dementsprechend weist der Innenraum üblicherweise einen lichten Querschnitt von rechteckiger Gestalt auf, der über die Länge des Innenraums im wesentlichen konstant ist. In Breitenrichtung sind Innenraum und Kontaktanordnung so bemessen, daß diese sich ohne weiteres einschieben läßt. Dagegen ist, wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, hinsichtlich der Höhe von Innenraum bzw. Kontaktanordnung die Anpassung so getroffen, daß eine zur Ebene de Kontaktbleche senkrechte Pressung eintritt, die eine feste Anlage der Kontaktbleche am PTC-Element mit geringem Übergangswiderstand für Strom und Wärme gewährleistet.

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Die Andruckkraft wird von der Hülse aufgenommen, wobei die Kontaktbleche andererseits ganzflächig gegen die Wandung des Innenraums gepreßt werden, so daß auch eine gute Wärmeableitung an die Außenseite der Hülse resulitert, die Pressung wird dadurch erreicht, daß der Innenraum in Höhenrichtung gegenüber der Kontaktanordnung ein gewisses Untermaß aufweist, das im wesentlichen von der Druckfestigkeit der PTC-Elemente und den elastischen Eigenschaften des Hülsenmaterials abhängt und sich durch einfache Versuche bestimmen läßt. Nach dem Einschieben der Kontaktanordnung kann der Innenraum zusätzlich mit einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Material, beispielsweisewärmeleitendem Silikonkautschuk, ausgegossen werden, um auch die Wärmeableitung von den Seitenflächen des PTC-Elements zu optimieren.

Selbstverständlich können auch mehrere PTC-Elemente in Reihe hintereinander und/oder nebeneinander zwischen den Kontaktblechen angeordnet werden.

Die Stromzuführung erfolgt mit Anschluß leitungen, die an den in Einschieberichtung rückwärtigen Enden der Kontaktbleche durch Löten, Punktschweißen, Anklemmen oder dgl. befestigt werden können.

Wie sich aus Vorstehendem ergibt, wird erfindungsgemäß die Pressung zwischen Kontaktblechen und PTC-Element durch die Elastizität der Hülse aufgebracht. Eine besonders günstige Abstimmung läßt sich dabei erreichen, wenn die Hülse aus elastomerem Material, beispielsweise

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wärmeleitendem Silikonkautschuk besteht. Die Hülse kann in jedem Fall aus einem Abschnitt von rohrförmigem Strangmaterial entsprechenden Querschnitts bestehen und beidseitig offen verwendet oder nachträglich endseitig geschlossen werden. Vorzugsweise wird die Hülse jedoch als einseitig geschlossenes Formteil gegossen.

Um das Einschieben zu erleichtern, können die Kontaktbleche schwach keilförmig ausgebildet werden. In dieser und in anderer Hinsicht besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Kontaktbleche als Wärmeabgabeflächen ausgebildet sind, das PTC-Element in Längsrichtung an mindestens einer Seite überragen und vollständig von der Hülse umschlossen sind. Durch diese Ausbildung der Kontaktbleche, die in jedem Fall aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium bestehen sollten, wird eine wesentlich verbesserte Wärmeabgabe vom PTC-Element an die Hülse und damit durch deren Außenfläche an den Wärmeverbraucher erreicht. Überragen ferner die Kontaktbleche das PTC-Element mindestens an der in Einschieberichtung vorderen Seite, so können sie keilförmig gegeneinander geneigt in den Innenraum eingeführt werden. Das hat zur Folge, daß das Einschi eben nur geringen Kraftaufwand erfordert und gleichwohl im eingeschobenen Zustand, indem die Kontaktbleche aufgrund der Elastizität des Hülsenmaterials ganzflächig am PTC-Element anliegen, eine hohe Pressung erreicht wird. Vorzugsweise überragen die Kontaktbleche das PTC-Element wenigstens um einen Betrag, der dessen Länge entspricht.

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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse einen sich in axialer Richtung im Innenraum erstreckenden Distanzsteg aufweist und zwischen gegenüberliegenden Seiten des Distanzstegs und der jeweils benachbarten Innenwandung der Hülse je ein Führungskanal für eines der Kontaktbleche besteht. Distanzsteg und Führungskanäle werden dabei so bemessen, daß die das PTC-Element überragenden Abschnitte der Kontaktbleche unter elastischer Anpressung am Distanzsteg und an der Hülsenwandung anliegen, so daß eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs resultiert. Der Distanzsteg kann beim Gießen der Hülse in einfacher Weise einstückig, vom geschlossenen Hülsenende ausgehend, eingeformt werden und geht vorzugsweise seitlich in die Hülsenwandung über. Mit anderen Worten weist bei deser Ausgestaltung die Hülse im Anschluß an den Innenraum ein massiven Hülsenendteil auf, in das die Führungskanäle eingeformt sind.

Es empfiehlt sich bei dieser Ausgestaltung weiter, daß die Führungskanäle in Einschieberichtung der Kontaktanordnung divergieren. Damit wird erreicht, daß die vorderen Enden der Kontaktbleche beim Eintreten in die Führungskanäle auseinander gespreizt und infolgedessen durch Hebelwirkung die rückwärtigen Enden der Kontaktbleche, zwischen denen das PTC-Element liegt, zusammengedrückt werden. Diese Maßnahme führt zu einem über die Länge der Kontaktbleche gleichmäßigen und insgesamt besseren Wärmeübergang zwischen den Kontaktblechen und der Hülse.

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Die Manipulation der Kontaktanordnung, insbesondere beim Einschieben, kann dadurch vereinfacht werden, daß die in Einschieberichtung rückwärtigen Enden der Kontaktbleche in einen Haltekörper aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise gleichfalls aus wärmeleitendem Silikonkautschuk, eingebettet sind. Zugleich bildet der Haltekörper eine Zugentlastung für die an die Kontaktbleche angeschlossenen Anschlußleitungen. Vorzugsweise wird dabei der Haltekörper so ausgestaltet, daß er bei eingeschobener Kontaktanordnung den Innenraum der Hülse abdichtend abschließt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 Ein elektrisches Widerstandsheizelement

im Längsschnitt,

Figur 2 den Gegenstand der Figur 1 im Querschnitt.

Das in den Figuren dargestellte elektrische Widerstandsheizelement in Form einer "Heizpatrone" besteht im wesentlichen aus einer Hülse aus wärmeleitendem Silikonkautschuk und einer in den Innenraum der Hülse 1 eingeschobenen Kontaktanordnung 2. Die Kontaktanordnung 2 ist aus zwei ebenen Kontaktblechen 3 aus Kupfer und einem PTC-Element aufgebaut, das zwischen die Kontaktbleche 3 eingelegt ist und an seinen den Kontaktblechen 3 zugewandten Flächen mit einer (nicht dargestellten)

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Kontaktierung versehen ist. Die Kontaktbleche 3 weisen im wesentlichen - bis auf ein geringes Übermaß - die gleiche Breite auf wie das PTC-Element. Die Stromzuleitung zum PTC-Element 4 erfolgt über die Kontaktbleche 3 durch Anschlußleitungen 5, die an den Enden der Kontaktbleche 3 angelötet sind.

Die auswärmeleitendem Silikonkautschuk gegossene Hülse 1 ist an einem Ende geschlossen und weist einen zum anderen Ende offenen Innenraum 6 von rechteckigem Querschnitt (vgl. Figur 2) auf, in den die Kontaktanordnung 2 eingeschoben ist. In B reiten richtung erlaubt der Innenraum 6 ein gewisses Spiel der Kontaktanordnung 2. Dagegen ist der Innenraum 6 in der zur Ebene der Kontaktbleche 3 senkrechten Höhenrichtung so bemessen, daß im eingebauten Zustand die Kontaktanordnung 2 aufgrund der Elastizität der Hülse 1 zusammengepreßt wird. An der Außenseite ist die Hülse 1 kreiszylindrisch ausgebildet.

Wie die Figur 1 zeigt, überragen die Kontaktbleche 3 an der in Einschieberichtung (Pfeil 7) vorderen Seite das PTC-Element 4 um mehr als das doppelte von dessen Länge. Die Länge der Kontaktbleche 3 entspricht damit annähernd der Länge der Hülse 1, so daß ein guter, gleichmäßiger und großflächiger Wärmeübergang erreicht wird.

Zwischen die das PTC-Element 4 überragenden Abschnitte der Kontaktbleche 3 greift ein Distanzsteg 8 ein, der beim Gießen der Hülse 1 an deren geschlossenem Ende einstückig angeformt ist, in den Innenraum hineinragt, seitlich in die Wandung der Hülse 1 übergeht und in Höhenrichtung zw ischen sich und der Wandung der Hülse 1 Führungskanäle 9

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frei läßf, in welche die Kontaktbleche 3 einfassen. Die Führungskanäle 9 sind gegenüber den Kontaktblechen 3 enger bemessen, so daß im eingeschobenen Zustand der D istanzsteg 8 bzw. die Wandung der Hülse 1 unter elastischer Pressung an den Kontaktblechen 3 anliegen, so daß ein guter Wärmeübergang gewährleistet id. Eine in Einschieberichtung 7 leicht divergierende Ausbildung der Führungskanäle 9 ist in der Zeichnung nicht erkennbar.

Am äußeren, in Einschieberichtung 7 rückwärtigen Ende sind die Kontaktbleche 3 in einen Haltekörper 10 auswärmeleitendem Silikonkautschuk eingebettet, der zugleich eine Zugentlastung für die Anschluß leitungen 5 bildet. Der Haltekörper 10 ist so bemessen, daß er in der (in Figur 1 dargestellten) eingeschobenen Stellung der Kontaktanordnung 2 den Innenraum 6 abdichtend verschließt.

In Figur 2 ist angedeutet, daß, wenn ein den Innenraum 6 abschließender Haltekörper 10 nicht vorgesehen wird, nach dem Einschieben der Kontaktanordnung 2 der verbleibende Innenraum mit elektrisch isolierendem, gut wärmeleitendem Material 11, beispielsweise gleichfalls mit wärmeleitendem Silikonkautschuk, ausgegossen werden kann.

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Claims (7)

1. DR. INC. HANS LICHT! DIPL. ING. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. KLAUS LEUTWEIN

   PATENTANWÄLTE 29 A 8 59 2

   D-7500 KARLSRUHE 41(CrOTZINCEN) · DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS) TELEFON (0721) 48511 ■ TELEX 7825986 LIPA D

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   Firma Fritz Eichenauer . _t ,₇

   D-6744 Kandel

   Patentansprüche

   y 1.y Elektrisches Widerstandsheizelement, mit mindestens einem Heizleiter in Form eines an gegenüberliegenden Flächen mit einer Kontaktierung versehenen Elements aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffi zienten des elektrischen Widerstandes (PTC-Element) sowie mit zwei im wesentlichen ebenen Kontaktblechen, wobei die Kontaktbleche mit dem dazwischen gelegten PTC-Element als Kontaktanordnung im Verbund gehalten sind,
   gekennzeichnet durch

   eine Hülse (1) aus elektrisch isolierendem, wärmeleitfähigem Material mit einem Innenraum (6) , dessen lichter Querschnitt an den Querschnitt der Kontaktanordnung (2) angepaßt ist, wobei die Kontaktanordnung (2) unter zur Ebene der Kontaktbleche (3) senkrechter Pressung in den Innenraum der Hülse (1) eingeschoben iäk.

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   original

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2. 2. Widerstandsheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus elastomerem Material besteht.
3. 3. Widerstandsheizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbleche (3) als Wärmeabgabeflachen ausgebildet sind, das PTC-Element (4) in Längsrichtung an mindestens einer Seite überragen und vollständig von der Hülse (1) umschlossen sind.
4. 4. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) einen sich in axialer Richtung im Innenraum (6) erstreckenden Distanzsteg (8) aufweist und zwischen gegenüberliegenden Seiten des Distanzstegs (8) und der jeweils benachbarten Innenwandung der Hülse (1) je ein Führungskanal (9) für eines der Kontaktbleche (3) besteht.
5. 5. Widerstandsheizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskanäle (9) in Einschieberichtung (7) der Kontaktanordnung (2) divergieren.
6. 6. Widerstandsheizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Einschieberichtung (7) rückwärtigen Enden der Kontaktbleche (3) in einen Haltekörper (10) aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind.

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7. 7. Widerstandsheizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltekörper (10) bei eingeschobener Kontaktanordnung (2) den Innenraum (6) der Hülse (1) abdichtend abschließt.

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