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WO1991007068A1 - Selbstregelnde heizeinrichtung - Google Patents

Selbstregelnde heizeinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO1991007068A1
WO1991007068A1 PCT/AT1989/000094 AT8900094W WO9107068A1 WO 1991007068 A1 WO1991007068 A1 WO 1991007068A1 AT 8900094 W AT8900094 W AT 8900094W WO 9107068 A1 WO9107068 A1 WO 9107068A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wedge
heating device
groove
heating element
resistance
Prior art date
Application number
PCT/AT1989/000094
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Menhardt
Original Assignee
Dr. Peter Nesvadba Gesellschaft M.B.H.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US07/426,309 priority Critical patent/US4998008A/en
Application filed by Dr. Peter Nesvadba Gesellschaft M.B.H. filed Critical Dr. Peter Nesvadba Gesellschaft M.B.H.
Priority to PCT/AT1989/000094 priority patent/WO1991007068A1/de
Publication of WO1991007068A1 publication Critical patent/WO1991007068A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Definitions

  • the invention relates to a self-regulating heating device with a platelet-shaped resistance heating element made of current-conducting ceramic material with a positive temperature coefficient, which heating element together with electrical insulating elements, through which heat is dissipated from the heating element, with the wedge effect in a wedge-shaped groove of a body to be heated or Housing body is constrained.
  • a self-regulating heating device of the aforementioned type is known (DE-28 16 076), in which the resistance heating element consisting of current-conducting ceramic material is designed as a plane-parallel plate.
  • a separate wedge body is provided to achieve the wedge effect, which should lead to a good contact of the components of the heating device involved in the heat dissipation, or insulating bodies which are arranged on both sides of the resistance heating body are themselves wedge-shaped.
  • this structure requires at least one additional component, namely its own wedge body, and increases the number of transition surfaces located in the heat transfer path, which results in an undesirable increase in the thermal resistance, which is disadvantageous in particular in the case of heating devices in question here, because it is the Self-regulating effect negatively affected.
  • the use of two wedge bodies results in a relatively high production outlay, and the wedge shape of the insulating bodies further causes this insulating element body are different thickness at different points, which results in significant differences in thermal resistance, which leads to uneven dissipation of the heat generated in the radiator and can cause local electrical overloads.
  • the heating device according to the invention of the type mentioned at the outset is characterized in that the plate-shaped resistance heating element is wedge-shaped and the obliquely extending, essentially flat wedge surfaces of this heating element with the interposition of the insulating elements, the side surfaces of the groove, which are approximately parallel to the wedge surfaces of the resistor -Heating radiator, facing, the geometrical generatrix of the wedge surfaces of the resistance radiator extend in the longitudinal direction of the groove, and that the power supply is carried out on the same as the wedge-forming surfaces of the resistance heating element forming the constraint.
  • the thermal resistance on the heat-transmitting contact surfaces, which are present between the heating element, the insulating elements and the body to be heated, is reduced by a thin contact layer made of heat-conducting compound.
  • the heater Due to the wedge shape of the resistance heating element, smaller manufacturing tolerances of the thickness of the heating element and the width of the groove receiving it have practically no adverse effect on the heat transfer from the heating element to the groove walls.
  • the heater also has stable operating properties.
  • An advantageous embodiment which can achieve a relatively strong pressure without risk of pressure overload with simple assembly manipulation, and which also results in an automatic compensation of thermal expansions in operation, is characterized in that a spring acting in the wedge direction is provided which the resistance radiator in Wedge direction presses into the groove provided to receive it.
  • the power supply it is in many cases advantageous for design reasons if the power supply is carried out on narrow sides of the resistance heating element running in the longitudinal direction of the groove.
  • the resistance characteristic of the radiator means that the current flow in the surface zones is greater than in the interior.
  • Another embodiment provides that the power supply takes place on the narrow sides of the resistance heating element running along the wedge surfaces in the wedge direction.
  • the connection leads can be soldered to the resistance radiator or held under pressure. The result is a structurally simple training if pressure springs are used as connecting leads themselves; for this, e.g. very well an elongated spring made of corrugated wire, which is inserted or constrained between the radiator and an insulation crossing the groove.
  • An embodiment which is particularly advantageous in terms of structure and operating characteristics is characterized in that plate-shaped insulating bodies made of densely sintered or melted, good heat-conducting inorganic material are in contact with the two wedge surfaces of the resistance heating element, which in turn lie against the side surfaces of the groove.
  • a particularly simple embodiment in terms of production is characterized in that the insulating bodies are formed by electrically insulating foils.
  • an embodiment which is characterized by this, offers particularly good security of the electrical insulation with at the same time low thermal resistance and simple construction.
  • the insulating body is formed of multiple layers and a layer of a densely sintered or melted, good heat-conducting inorganic material and at least one layer of an electrically insulating film is formed.
  • a variant of this embodiment is characterized in that the insulating bodies are constructed in multiple layers and a layer of a densely sintered or melted, good heat-conducting inorganic material and at least one layer of an in-situ solidified heat-conducting mass is formed.
  • multilayer insulating bodies can be formed from two superimposed plates made of sintered or melted inorganic material.
  • an inorganic insulating layer which is applied, for example, to the platelets of inorganic material which form the insulating bodies; such layers can consist, for example, of SiO 2 or other oxides or of nitrides.
  • inorganic material which form the insulating bodies
  • such layers can consist, for example, of SiO 2 or other oxides or of nitrides.
  • foils filled with Al2O3 are also suitable as foils.
  • the mechanically stable wedge effect which can be achieved by the design of the heating device according to the invention has a very advantageous effect with regard to simple assembly and with regard to pressing to a low thermal contact resistance.
  • a two-layer heating element is known from DE-OS 25 43 314, in which both layers are wedge-shaped and laminated together to form a plane-parallel body.
  • One layer consists of PTC material and the other layer of ordinary resistance material; in this way, the heat energy output, viewed over the area of the heating element, should assume different values.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a heating device according to the invention in cross section
  • FIG. 2 shows another embodiment, likewise in cross section
  • FIG. 3 again shows another embodiment in cross section
  • FIG. 4 shows another embodiment in cross section. shape in which the body having the groove is integrated with the insulating bodies
  • FIG. 5 shows this embodiment in longitudinal section
  • FIG. 6 shows an embodiment in which a plurality of resistance heating elements are provided.
  • the embodiment of a self-regulating heating device 1 shown in cross section in FIG. 1 has a plate-shaped resistance heating element 2 made of current-conducting ceramic material with a positive temperature coefficient.
  • the heating element 2, together with electrical insulating elements 3, through which heat is dissipated from the heating element 2, is forced into a groove 4 of a body 5 to be heated by means of a wedge.
  • the body 5 can e.g. form a housing of the heating device 1, which emits the heat to other bodies, or itself form the location of the heat requirement.
  • the platelet-shaped resistance heater 2 is wedge-shaped, the obliquely mutually extending, essentially flat wedge surfaces 6, 7 of this heater 2, with the interposition of the insulating bodies 3, facing the side surfaces 8, 9 of the groove 4.
  • a thin contact layer 10 made of a heat-conducting compound is preferably provided on these contact surfaces between the said bodies.
  • the insulating bodies 3 advantageously consist of a densely sintered or a melted, good heat-conducting inorganic material, such as e.g. AI2O3. If desired, such insulating bodies can also be constructed in multiple layers. However, temperature-resistant, electrically insulating foils, such as e.g. Polyimide film can be used, it being possible for a plurality of such films to be placed on top of one another; in this case too, the thermal resistance at the heat-transmitting contact surfaces will preferably be reduced by a heat-conducting compound. Formation of the insulating body from different materials, such as made of sintered AI2O3 and insulating foils is possible.
  • the radiator 2 is pressed into the groove 4 in the wedge direction, which is indicated by the arrow 11.
  • a spring 12 can be provided or the wedge-shaped heating element 2 can be pressed into the groove 4 and then held in place in the groove, which can be achieved by suitable fillers which prevent the heating element 2 from sliding back against the direction of the arrow 11, or by suitable dimensioning of the wedge angle in that the radiator 2 is held by friction self-locking in its pressed into the groove 4 position can be achieved.
  • the current supply to the radiator 2 takes place by connecting electrical conductors at opposite points, which are located on the narrow sides of the radiator located next to the wedge surfaces. You can e.g. use a pressure spring 12 as a connecting conductor.
  • the body to be heated is formed by a metal profile 14 which, viewed over its circumference, is essentially closed and has a groove 15 in its interior.
  • a wedge-shaped resistance heating element 2 which consists of current-conducting ceramic material with a positive temperature coefficient and is flanked by two insulating elements 3, which consist of a good heat-conducting inorganic material.
  • layers 18, 20 of a highly heat-conductive, electrically insulating composition are provided, such as an in situ solidified silicone composition with a high content of inorganic filler.
  • This mass also forms a holding body 22, which secures the radiator 2 and the insulating body 3 against retraction against the direction of the arrow 11 (FIG. 1) and thus maintains good pressure on the heat transfer surfaces from the radiator 2 to the metal profile 14.
  • Such masses generally have a significantly higher coefficient of expansion than metals, so that the heating of the heating device that occurs during operation does not reduce the pressure on the surface mentioned and thus the heat transfer.
  • the heating element 2 and the insulating element 3 can be inserted axially into the groove-shaped hollow cavity 15 and the heat-conducting compound which is to form the layers 18, 20 and the body 22 can be injected;
  • the manipulation can be facilitated if one provides an opening 23 through the wall of the metal profile 14 in the area in which the radiator 2 is to be placed, through which the radiator 2 acts during positioning and pressing and thermal conduction compound in the Cavity 15 can be introduced.
  • connecting conductors 24, 25 are provided, which are contacted on the narrow sides 27, 28 of this radiator running next to the wedge surfaces 6, 7 of the radiator 2. These narrow sides 27, 28 run in the longitudinal direction of the groove-shaped cavity 15.
  • the body to be heated by the heating element 2 is in the form of a metal profile 14.
  • the electrical insulation between the radiator 2 and the side surfaces 16, 17 of the groove-shaped cavity 15 provided in the metal profile 14 is formed by platelet-shaped insulating bodies 3 made from densely sintered or melted, good heat-conducting inorganic material and from a heat-resistant, electrically insulating film 3a.
  • the film 3a is placed around the radiator 2 in the case shown; if necessary, several film windings can also be provided. Instead, you can also use foil sheets, each lying on one side of the radiator.
  • the film 3a forms, together with each of the platelet-shaped insulating bodies 3, a multilayer or multilayer insulation.
  • a thin contact layer made of heat-conducting compound can advantageously be provided to reduce the thermal resistance at the heat-transmitting contact surfaces. This is not shown in FIG. 3.
  • the current supply to the heating element 2 takes place on narrow sides 27, 28 of the heating element 2 running in the longitudinal direction of the groove-shaped cavity 15 via electrical conductors 24, 25 which are in contact with the narrow sides 27, 28.
  • a screw 30 is provided in the embodiment according to FIG.
  • a spring for example a coil spring or a leaf spring, or a spring made of a corrugated wire, can be provided.
  • the radiator 2 is arranged in the groove-shaped cavity 15 of a profile body 35 consisting of thermally conductive insulating ceramic, which represents the body to be heated by the radiator 2 and, at the same time, the insulating bodies 3b, which form zones in the body 35 and are indicated by dashed lines, integrated.
  • the side surfaces 16, 17 of the groove-shaped cavity 15, like the side surfaces 6, 7 of the radiator 2, run in a wedge shape.
  • a retaining body 22 made of heat-conducting compound solidified in situ is provided.
  • the current flow in this embodiment takes place in the longitudinal direction of the radiator 2, and for this purpose electrical supply lines 24, 25 are connected to the narrow sides 36, 37 of the radiator 2.
  • an elongated spring made of corrugated wire can also be provided. Such a spring can also serve as a power supply to the radiator.
  • a plurality of wedge-shaped radiators 2 which consist of electrically conductive ceramic material with a positive temperature coefficient, are provided, each of these radiators being forced into a groove 4 of a metal body 40 provided with a number of such grooves.
  • insulating bodies in the form of electrically insulating, temperature-resistant foils are inserted between the radiators 2 and the side walls of the grooves 4.
  • springs or holding bodies are provided, which are not shown in this figure, or the dimensions are such that a self-retaining Friction inhibition results.
  • a contact layer (not shown in more detail) made of a heat-conducting compound can be provided on the contact surfaces via which the heat transfer from the radiators 2 to the metal body 40 takes place.
  • the metal body 40 is held pressed against a metal body 42 with the interposition of electrical insulation 41.
  • the insulation 41 can advantageously consist of a densely sintered or melted, good heat-conducting inorganic material and / or one or more electrically insulating foils.
  • a contact layer made of heat-conducting compound can be provided on the contact surfaces on which the heat transfer takes place in order to reduce the thermal resistance.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

Selbstregelnde Heizvorrichtung (1) mit einem plättchenförmigen Widerstands-Heizkörper (2) aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten, welcher Heizkörper zusammen mit elektrischen Isolierkörpern (3), durch die hindurch eine Wärmeableitung vom Heizkörper (2) erfolgt, unter Keilwirkung in eine Nut (4) eines zu erwärmenden Körpers bzw. Gehäusekörpers gezwängt ist. Der plättchenförmige Widerstandsheizkörper (2) ist keilförmig ausgebildet, und die schräg zueinander verlaufenden, im wesentlichen ebenen Keilflächen (6, 7) dieses Heizkörpers (2) sind unter Zwischenfügung der Isolierkörper (3) den Seitenflächen (8, 9) der Nut (4) zugewandt. Vorzugsweise ist der Wärmewiderstand an den wärmeübertragenden Anliegeflächen durch eine dünne Kontaktschicht (10) aus Wärmeleitmasse herabgesetzt. Die Stromzuführung erfolgt an neben den die Zwängung bildenden Keilflächen (6, 7) gelegenen Flächen des Widerstandsheizkörpers (2).

Description

Selbstregelnde Heizeinrichtunq
Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstregelnde Heizeinrichtung mit einem plättchenförmigen Widerstands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperatur¬ koeffizienten, welcher Heizkörper zusammen mit elektrischen Isolierkörpern, durch die hindurch eine Wärmeableitung vom Heizkörper erfolgt, unter Keilwirkung in eine keilförmige Nut eines zu erwärmenden Körpers bzw. Gehäusekörperε gezwängt ist.
Es ist eine selbstregelnde Heizeinrichtung vorgenannter Art bekannt (DE-28 16 076), bei der der aus stromleitendem Keramik¬ material bestehende Widerstandsheizkörper als planparalleles Plättchen ausgebildet ist. Zum Erzielen der Keilwirkung, welche zu einem guten Anliegen der an der Wärmeableitung beteiligten Bauteile der Heizeinrichtung aneinander führen soll, ist ein eigener Keilkörper vorgesehen, oder es sind Isolierkörper, welche zu beiden Seiten des Widerstands-Heizkörpers angeordnet sind, selbst keilförmig ausgebildet. Dieser Aufbau erfordert im ersten Fall mindestens einen zusätzlichen Bauteil, nämlich einen eigenen Keilkörper, und vergrößert die Anzahl der im Wärmeübertragungsweg liegenden Übergangsflächen, woraus sich eine unerwünschte Erhöhung des Wärmewiderstandes ergibt, was gerade bei Heizeinrichtungen hier in Rede stehender Art nachteilig ist, weil es die Selbst¬ regelwirkung negativ beeinflußt. Bei der zweiten vorgenannten Ausbildung der bekannten Heizeinrichtung, bei der die beiden zu beiden Seiten des Heizkörpers angeordneten Isolierkörper selbst keilförmig ausgebildet sind, ergibt sich durch den Einsatz zweier Keilkörper ein verhältnismäßig hoher Fertigungsaufwand, und es bewirkt die Keilform der Isolierkörper weiter, daß diese Isolier¬ körper an verschiedenen Stellen verschieden dick sind, woraus sich wesentliche Unterschiede im Wärmewiderstand ergeben, was zu einer ungleichmäßigen Ableitung der im Heizkörper entstehenden Wärme führt und lokale elektrische Überlastungen verursachen kann.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine selbst¬ regelnde Heizeinrichtung eingangs erwähnter Art zu schaffen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und bei der Nachteile, wie sie vorstehend erwähnt worden sind, behoben sind. Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, daß der plättchenförmige Widerstands- Heizkörper keilförmig ausgebildet ist und die schräg zueinander verlaufenden, im wesentlichen ebenen Keilflächen dieses Heiz¬ körpers unter Zwischenfügung der Isolierkörper den Seitenflächen der Nut, welche annähernd parallel zu den Keilflächen des Widerstands-Heizkörpers verlaufen, zugewandt sind, wobei die geometrischen Erzeugenden der Keilflächen des Widerstands- Heizkörpers in Längsrichtung der Nut verlaufen, und daß die Stromzuführung an neben den die Zwängung bildenden Keilflächen des Widerstands-Heizkörpers gelegenen Flächen desselben erfolgt. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Wärmewiderstand an den wärmeübertragenden Anliegeflächen, die zwischen dem Heizkörper, den Isolierkörpern und dem zu erwärmenden Körper vorliegen, durch eine dünne Kontaktschicht aus Wärmeleitmasse herabgesetzt ist. Durch diese Ausbildung kann der vorstehend angeführten Zielsetzung sehr gut entsprochen werden. Es kann mit geringem Fertigungs¬ aufwand eine innige Berührung an den Wärmeübergangsflächen und damit eine gute Wärmeableitung mit niedrigem Wärmewiderstand erhalten werden, der eine gute Regelwirkung hinsichtlich der am zu erwärmenden Körper bzw. Gehäusekörper vorliegenden Temperatur ergibt, und es ist der Zusammenbau der Heizeinrichtung auf einfache Weise durchführbar. Es ergibt die keilförmige Ausbildung des Heizkörpers gegenüber dem oben an erster Stelle angeführten bekannten Fall eine Verringerung der Zahl der Bauteile und eine bessere Stabilität in mechanischer Hinsicht, was für die Montage und für das Wärmeübergangsverhalten vorteilhaft ist. Durch die Keilform des Widerstands-Heizkörpers haben kleinere Fertigungs¬ toleranzen der Dicke des Heizkörpers und der Breite der diesen aufnehmenden Nut praktisch keine nachteilige Auswirkung auf den Wärmeübergang vom Heizkörper zu den Nutwänden. Die Heizeinrichtung weist auch stabile Betriebseigenschaften auf. Die Anordnung der Stromzuführungen an Flächen des Widerstands-Heizkörpers, die neben den die Zwängung bildenden Keilflächen desselben liegen, ergibt eine Vergleichmäßigung der Stromflußverteilung, wodurch die Selbstregelung verbessert wird. Eine vorteilhafte Ausführungsform, die bei einfacher Montagemanipulation einen verhältnismäßig starken Andruck ohne Gefahr einer Drucküberlastung erzielen läßt, und die auch einen selbsttätigen Ausgleich von Wärmedehnungen im Betrieb ergibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine in Keilrichtung wirkende Feder vorgesehen ist, welche den Widerstands-Heizkörper in Keilrichtung in die zu seiner Aufnahme vorgesehene Nut drückt.
Hinsichtlich der Stromzuführung ist es in vielen Fällen aus konstruktiven Gründen vorteilhaft, wenn die Stromzuführung an in Längsrichtung der Nut verlaufenden Schmalseiten des Widerstands- Heizkörpers erfolgt. Hiebei ergibt sich trotz der fortlaufenden Änderung der Dicke des plättchenförmigen Heizkörpers im Zuge des Stromflußweges durch den Heizkörper eine gleichmäßige Erwärmung desselben, was dahingehend erklärt werden kann, daß durch die WiderstandsCharakteristik des Heizkörpers der Stromfluß in den Oberflächenzonen größer ist als im Inneren. Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß die Stromzuführung an längs den Keilflächen in Keilrichtung verlaufenden Schmalseiten des Widerstands-Heizkörpers erfolgt. Die Anschlußleiter kann man an den Widerstands-Heizkörper anlöten oder unter Druck anliegend halten. Es ergibt sich eine baulich einfache Ausbildung, wenn man Andruckfedern selbst als Anschlußleiter benützt; hiefür eignet sich z.B. sehr gut eine längliche Feder aus gewelltem Draht, die zwischen den Heizkörper und einer die Nut überquerenden Isolierung eingeschoben bzw. eingezwängt ist.
Eine hinsichtlich des Aufbaus und hinsichtlich der Betriebs¬ eigenschaften besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Keilflächen des Widerstands- Heizkörpers plättchenförmige Isolierkörper aus dicht gesintertem oder erschmolzenem, gut wärmeleitendem anorganischen Material anliegen, welche ihrerseits an den Seitenflächen der Nut anliegen.
Eine hinsichtlich der Fertigung besonders einfache Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper durch elektrisch isolierende Folien gebildet sind.
Eine besonders gute Sicherheit der elektrischen Isolierung bei gleichzeitig niedrigem Wärmewiderstand und einfachem Aufbau bietet eine Ausführungsform, welche dadurch gekennzeichnet ist. daß die Isolierkörper mehrschichtig ausgebildet sind und dabei eine Schicht aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen, gut wärmeleitenden anorganischen Material und mindestens eine Schicht aus einer elektrisch isolierenden Folie gebildet ist. Eine Variante dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper mehrschichtig ausgebildet sind und dabei eine Schicht aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen, gut wärmeleitenden anorganischen Material und mindestens eine Schicht aus einer in situ erstarrten wärmeleitenden Masse gebildet ist. Es sind auch andere Varianten möglich. So kann man mehrschichtige Isolierkörper z.B. aus zwei aufeinandergelegten Plättchen aus gesintertem oder erschmolzenem anorganischen Material bilden. Man kann auch anstelle einer Folie eine anorganische isolierende Schicht vorsehen, die z.B. auf die die Isolierkörper bildenden Plättchen aus anorganischem Material aufgebracht ist; es können solche Schichten z.B. aus Siθ2 oder anderen Oxyden oder aus Nitriden bestehen. Als Folien kommen z.B. auch mit AI2O3 gefüllte Folien in Betracht. Es wirkt sich bei der mehrschichtigen Ausbildung der Isolierkörper die durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Heizeinrichtung erzielbare mechanisch stabile Keilwirkung sehr vorteilhaft hinsichtlich einer einfachen Montage und hinsichtlich einer Pressung auf geringen thermischen Übergangswiderstand aus.
Es kann erwähnt werden, daß aus der DE-OS 25 43 314 ein zweischichtiges Heizelement bekannt ist, bei dem beide Schichten keilförmig ausgebildet und miteinander zu einem planparallelen Körper laminiert sind. Die eine Schicht besteht dabei aus PTC- Material und die andere Schicht aus gewöhnlichem Widerstands¬ material; hiedurch soll die Wärmeenergieabgabe, über die Fläche des Heizelementes gesehen, verschiedene Werte annehmen.
Die Erfindung wird nun nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele, welche in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung im Querschnitt, Fig. 2 eine andere Ausführungsform, gleichfalls im Querschnitt, Fig. 3 wieder im Querschnitt eine weitere Ausführungsform, Fig. 4 wieder im Querschnitt eine Ausführungs- form, bei der der die Nut aufweisende Körper mit den Isolier¬ körpern integriert ist, Fig. 5 diese Ausführungsform im Längsschnitt, und Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der mehrere Widerstands-Heizkörper vorgesehen sind.
Die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Ausführungsform einer selbstregelnden Heizeinrichtung 1 weist einen plättchen¬ förmigen Widerstands-Heizkörper 2 aus stromleitendem Keramik¬ material mit positivem Temperaturkoeffizienten auf. Der Heizkörper 2 ist zusammen mit elektrischen Isolierkörpern 3, durch die hindurch eine Wärmeableitung vom Heizkörper 2 erfolgt, unter Keilwirkung in eine Nut 4 eines zu erwärmenden Körpers 5 gezwängt. Der Körper 5 kann z.B. ein Gehäuse der Heizeinrichtung 1 bilden, welches die Wärme an andere Körper abgibt, oder selbst den Ort des Wärmebedarfs bilden. Zur Erzielung der Keilwirkung ist der plättchenför ige Widerstands-Heizkörper 2 keilförmig ausgebildet, wobei die schräg zueinander verlaufenden, im wesentlichen ebenen Keilflächen 6, 7 dieses Heizkörpers 2, unter Zwischenfügung der Isolierkörper 3, den Seitenflächen 8, 9 der Nut 4 zugewandt sind. Um den Wärmewiderstand an den wärmeübertragenden Anliegeflächen, die zwischen dem Heizkörper 2 , den Isolierkörpern 3 und dem zu erwärmenden Körper 5 vorliegen, herabzusetzen, wird an diesen Anliegeflächen zwischen den genannten Körpern vorzugsweise eine dünne Kontaktschicht 10 aus Wärmeleitmasse vorgesehen.
Die Isolierkörper 3 bestehen vorteilhaft aus einem dicht gesinterten oder einem erschmolzenen gut wärmeleitenden anorganischen Material, wie z.B. AI2O3. Gewünschtenfalls können solche Isolierkörper auch mehrschichtig ausgebildet sein. Als Isolierkörper können aber auch temperaturbeständige, elektrisch isolierende Folien, wie z.B. Polyimidfolie, eingesetzt werden, wobei gegebenenfalls mehrere solcher Folien aufeinander¬ gelegt werden können; auch in diesem Fall wird man vorzugsweise den Wärmewiderstand an den wärmeübertragenden Anliegeflächen durch eine Wärmeleitmasse herabsetzen. Auch eine Ausbildung der Isolierkörper aus verschiedenen Materialien, wie z.B. aus gesintertem AI2O3 und aus isolierenden Folien, ist möglich.
Um die gewünschte Andruckkraft zwischen den Keilflächen 6, 7 des Heizkörpers 2, den Isolierkörpern 3 und den Seitenflächen 8, 9 _- der Nut 4 zu erzielen, wird der Heizkörper 2 in Keilrichtung, welche durch den Pfeil 11 angedeutet ist, in die Nut 4 gedrückt. Man kann hiezu z.B. eine Feder 12 vorsehen oder den keilförmigen Heizkörper 2 in die Nut 4 drücken und dann in dieser festhalten, was durch geeignete Füllkörper, die ein Zurückgleiten des Heizkörpers 2 gegen die Richtung des Pfeiles 11 verhindern, oder durch eine geeignete Bemessung des Keilwinkels dahingehend, daß der Heizkörper 2 durch Reibungs-Selbsthemmung in seiner in die Nut 4 hineingedrückten Lage festgehalten wird, erzielt werden kann.
Die Stromzuführung zum Heizkörper 2 erfolgt durch Anschließen von elektrischen Leitern an einander gegenüberliegende Stellen, die an neben den Keilflächen gelegenen Schmalseiten des Heiz¬ körpers liegen. Man kann dabei z.B. eine Andruckfeder 12 als Anschlußleiter benützen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der zu erwärmende Körper durch ein Metallprofil 14 gebildet, welches über seinen Umfang gesehen im wesentlichen geschlossen ausgebildet ist und in seinem Inneren einen nutförmig ausgebildeten Hohlraum 15 aufweist. In diesem Hohlraum ist ein keilförmiger Widerstands-Heizkörper 2, der aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperatur¬ koeffizienten besteht und von zwei Isolierkörpern 3, welche aus einem gut wärmeleitenden anorganischen Material bestehen, flankiert ist, angeordnet. Zwischen den Isolierkörpern 3 und den annähernd parallel zu den Keilflächen 6, 7 des Heizkörpers 2 verlaufenden Seitenflächen 16, 17 der Nut 15 sind Schichten 18, 20 einer gut wärmeleitenden elektrisch isolierenden Masse vorgesehen, wie z.B. eine in situ erstarrte Silikonmasse mit einem hohen Gehalt an anorganischem Füllstoff. Diese Masse bildet auch einen Haltekörper 22, der den Heizkörper 2 und die Isolierkörper 3 gegen ein Zurückweichen gegen die Richtung des Pfeiles 11 (Fig. 1) sichert und damit einen guten Andruck an den Wärmeübergangsflächen vom Heizkörper 2 zum Metallprofil 14 aufrecht erhält. Solche Massen haben in der Regel einen deutlich höheren Ausdehnungs¬ koeffizienten als Metalle, so daß auch die im Betrieb auftretende Erwärmung der Heizeinrichtung den Andruck an den genannten Fläche und damit den Wärmeübergang nicht mindert. _
Zum Zusammenbau der in Fig. 2 dargestellten Heizeinrichtung kann man den Heizkörper 2 und die Isolierkörper 3 axial in den nutförmigen Hohlravun 15 einschieben und die Wärmeleitmasse, welch die Schichten 18, 20 und den Körper 22 bilden soll, einspritzen; es kann dabei die Manipulation erleichtert werden, wenn man in de Bereich, in dem der Heizkörper 2 zu plazieren ist, eine durch die Wand des Metallprofils 14 führende Öffnung 23 vorsieht, durch die auf den Heizkörper 2 beim Positionieren und Andrücken eingewirkt und Wärmeleitmasse in den Hohlraum 15 eingebracht werden kann.
Zur Stromzuführung an den Heizkörper 2 sind Anschlußleiter 24, 25 vorgesehen, welche an den neben den Keilflächen 6, 7 des Heizkörpers 2 verlaufenden Schmalseiten 27, 28 dieses Heizkörpers kontaktiert sind. Diese Schmalseiten 27, 28 verlaufen in Längsrichtung des nutförmigen Hohlraumes 15.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der vom Heizkörper 2 zu erwärmende Körper in Form eines Metallprofils 14 ausgebildet. Die elektrisch Isolierung zwischen dem Heizkörper 2 und den Seitenflächen 16, 17 des im Metallprofil 14 vorgesehenen nutförmigen Hohlraums 15 ist durch plättchenförmige Isolierkörper 3 aus dicht gesintertem oder erschmolzenem, gut wärmeleitenden anorganischen Material und aus einer wärmebeständigen, elektrisch isolierenden Folie 3a gebildet. Die Folie 3a ist im dargestellten Fall um den Heizkörper 2 herumgelegt; man kann dabei gegebenenfalls auch mehrere Folien¬ windungen vorsehen. Stattdessen kann man auch Folienblattchen, di je an einer Seite des Heizkörpers liegen, verwenden. Die Folie 3a bildet zusammen mit jedem der plättchenförmigen Isolierkörper 3 eine mehrlagige bzw. mehrschichtige Isolierung. Man kann auch bei der Ausführungsform nach Fig. 3 vorteilhaft zur Reduktion des Wärmewiderstandes an den wärmeübertragenden Anliegeflächen eine dünne Kontaktschicht aus Wärmeleitmasse vorsehen. Dies ist in Fig. 3 nicht näher eingezeichnet. Die Stromzuführung zum Heiz¬ körper 2 erfolgt an in Längsrichtung des nutförmigen Hohlraumes 15 verlaufenden Schmalseiten 27, 28 des Heizkörpers 2 über elektrische Leiter 24, 25, welche mit den Schmalseiten 27, 28 in Kontakt sind. Zum Vorschieben des Heizkörpers 2 in der in Fig. 1 durch de Pfeil 11 angedeuteten Keilrichtung ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 eine Schraube 30 vorgesehen, welche in Richtung des Pfeiles 11 unter Zwischenfügung einer elektrischen Isolation 31 auf den Heizkörper 2 drückt, wobei gewünschtenfalls zwischen der Schraube 30 und der Isolation 31 oder zwischen der Isolation 31 und dem Heizkörper 2 eine Feder, z.B. eine Schraubenfeder oder eine Blattfeder, oder eine Feder aus einem gewellten Draht, vorgesehen werden kann.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ist der Heizkörper 2 im nutförmigen Hohlraum 15 eines aus wärmeleitender Isolierkeramik bestehenden Profilkörpers 35 angeordnet, der den vom Heizkörper 2 zu erwärmenden Körper darstellt und in sich gleichzeitig die Isolierkörper 3b, welche Zonen im Körper 35 bilden und strichliert angedeutet sind, integriert. Die Seiten¬ flächen 16, 17 des nutförmigen Hohlraumes 15 verlaufen ebenso wie die Seitenflächen 6, 7 des Heizkörpers 2 keilförmig. Zur Sicherung eines satten Anliegens des Heizkörpers 2 an den Seitenflächen 16, 17 des nutförmigen Hohlraumes ist ein Rückhaltekörper 22 aus in situ erstarrter Wärmeleitmasse vorgesehen. Der Stromdurchfluß erfolgt bei dieser Ausführungsform in Längsrichtung des Heiz¬ körpers 2, und es sind hiezu elektrische Zuleitungen 24, 25 an die Schmalseiten 36, 37 des Heizkörpers 2 angeschlossen. Anstelle des Rückhaltekörpers 22 kann auch eine längliche Feder aus gewelltem Draht, vorgesehen werden. Eine solche Feder kann auch als Strom¬ zuführung zum Heizkörper dienen.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform sind mehrere keilförmig ausgebildete Heizkörper 2, welche aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten bestehen, vorgesehen, wobei jeder dieser Heizkörper in eine Nut 4 eines mit einer Reihe solcher Nuten versehenen Metallkörpers 40 gezwängt ist. Zur elektrischen Isolation sind zwischen die Heizkörper 2 und die Seitenwände der Nuten 4 Isolierkörper in Form elektrisch isolierender, temperaturbeständiger Folien eingefügt. Zur Sicherung des Andrucks werden Federn oder Haltekörper vorgesehen, welche in dieser Figur nicht näher dargestellt sind, oder es wird die Dimensionierung so getroffen, daß sich eine selbsthaltende Reibungshemmung ergibt. An den Anliegeflächen, über die der Wärmeübergang von den Heizkörpern 2 zum Metallkörper 40 erfolgt, kann, wie vorstehend erörtert, eine nicht näher dargestellte Kontaktschicht aus einer Wärmeleitmasse vorgesehen werden. Der Metallkörper 40 ist unter Zwischenfügung einer elektrischen Isolation 41 an einen Metallkörper 42 angedrückt gehalten. Die Isolation 41 kann vorteilhaft aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen gut wärmeleitenden anorganischen Material und/oder einer oder mehreren elektrisch isolierenden Folie(n) bestehen. Auch in diesem Fall kann man zur Minderung des Wärmewiderstandes an den Anliegeflächen, an denen der Wärmeübergang erfolgt, eine Kontaktschicht aus Wärmeleitmasse vorsehen.

Claims

Patentansprüche:
1. Selbstregelnde Heizeinrichtung mit einem plättchenförmigen Widerstands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten, welcher Heizkörper zusammen mit elektrischen Isolierkörpern, durch die hindurch eine Wärmeab¬ leitung vom Heizkörper erfolgt, unter Keilwirkung in eine keilförmige Nut eines zu erwärmenden Körpers bzw. Gehäusekörpers gezwängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der plättchenförmige Widerstands-Heizkörper (2) keilförmig ausgebildet ist und die schräg zueinander verlaufenden, im wesentlichen ebenen Keilflächen (6, 7) dieses Heizkörpers (2) unter Zwischenfügung der Isolier¬ körper (3) den Seitenflächen (8, 9) der Nut (4) , welche annähernd parallel zu den Keilflächen (6, 7) des Widerstands-Heizkörpers (2) verlaufen, zugewandt sind, wobei die geometrischen Erzeugenden der Keilflächen des Widerstands-Heizkörpers in Längsrichtung der Nut verlaufen, und daß die Stromzuführung an neben den die Zwängung bildenden Keilflächen (6, 7) des Widerstands-Heizkörpers (2) gelegenen Flächen desselben erfolgt.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung an längs den Keilflächen (6, 7) in Keilrichtung verlaufenden Schmalseiten (36, 37) des Widerstands-Heizkörpers erfolgt.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung an in Längsrichtung der Nut (4) verlaufenden Schmalseiten (27, 28) des Widerstands-Heizkörpers (2) erfolgt.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewiderstand an den wärmeübertragenden Anliegeflächen, die zwischen dem Heizkörper (2), den Isolierkörpern (3) und dem zu erwärmenden Körper (5) vorliegen, durch eine dünne Kontaktschicht (10) aus Wärmeleitmasse herabgesetzt ist.
5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Keilflächen (6, 7) des Widerstands-Heizkörpers (2) plättchenförmige Isolierkörper (3) aus dicht gesintertem oder erschmolzenem, gut wärmeleitendem anorganischen Material anliegen, welche ihrerseits an den Seitenflächen der Nut (4) anliegen.
6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper durch elektrisch isolierend Folien gebildet sind.
7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper mehrschichtig ausgebildet sind und dabei eine Schicht (3) aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen, gut wärmeleitenden anorganischen Material und mindestens eine Schicht (3a) aus einer elektrisch isolierenden Folie gebildet ist.
8. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper mehrschichtig ausgebildet sind und dabei eine Schicht (3) aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen, gut wärmeleitenden anorganischen Material und mindestens eine Schicht (18, 20) aus einer in situ erstarrten wärmeleitenden Masse gebildet ist.
9. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Nut (4) mit einem in diese eingefügten Widerstands-Heizkörper (2) enthaltende Körper (40) aus Metall besteht und unter Zwischenfügung einer Isolation (41), die aus einem dicht gesinterten oder erschmolzenen, gut wärmeleitenden anorganischen Material besteht, an einen Metallkörper (42), der erwärmt werden soll, angedrückt gehalten ist.
10. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Nut (4) mit einem in diese eingefügten Widerstands-Heizkörper (2) enthaltende Körper (40) aus Metall besteht und unter Zwischenfügung einer Isolation (41), die mindestens aus einer elektrisch isolierenden Folie besteht, an einen Metallkörper (42), der erwärmt werden soll, angedrückt gehalten ist.
11. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper (3b), welche zu beiden Seiten des plättchenförmigen Widerstands-Heizkörpers (2) angeordnet sind, Teil eines aus wärmeleitender Isolierkeramik bestehenden Körpers sind, in dem die keilförmige Nut ausgebildet ist.
12. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Keilrichtung wirkende Feder (12) vorgesehen ist, welche den Widerstands-Heizkörper ( 2 ) in Keilrichtung in die zu seiner Aufnahme vorgesehene Nut ( 4 ) drückt ,
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