• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement für die Beheizung strömender Medien. 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. Erfindungsgemäß wird die 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.
    公开号:DE102004016434A1
    申请号:DE200410016434
    申请日:2004-03-31
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Dieter Dr. Grützmann；Michael Hofmann
    申请人:Hermsdorfer Institut fur Technische Keramik eV；
    IPC主号:H05B3-42
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement für die Beheizungströmender Medien.
    [0002] ElektrischeWiderstandsheizelemente in Form von Wabenkörpern, Rohrbündeln oderMehrlochplatten werden häufigzum Beheizen strömender Medienwie Luft oder nichtleitenden Flüssigkeitenwie Silikonöl,Glykol, Hydrauliköl,Benzin oder Dieselkraftstoff genutzt. Dabei ist in der Regel indem Widerstandselement eine Vielzahl von Kanälen oder Bohrungen vorhanden,durch die das zu beheizende Medium (Fluid) hindurchströmen kannbzw. hindurchgepumpt wird. Das Volumen des Widerstandsheizelementeswird mehr oder weniger homogen vom Heizstrom durchflossen und erwärmt sich.An der Oberflächeder Kanäleoder Bohrungen findet ein Wärmeaustauschzwischen dem Widerstandselement und dem Fluid statt. Wie viel Wärme proZeiteinheit an das strömendeMedium abgegeben wird, hängtunter anderem von der Temperaturdifferenz zwischen Widerstandskörper undFluid, von der Größe der Wärmeaustauschfläche, vonder Wärmekapazität des Mediumsund von dessen Strömungsgeschwindigkeitab. Selbstverständlichkann das Widerstandselement nur so viel Wärme pro Zeiteinheit an daszu beheizende Medium abgeben, wie es bei der verfügbaren BetriebsspannungU an elektrischer Leistung P umsetzen kann. Die Leistung P bestimmt sichaus P = U2/R. Das heißt, für hohe Heizleistungen mussdas Widerstandsheizelement einen niedrigen elektrischen WiderstandR aufweisen. Der Widerstand des Heizelementes wird vom spezifischenWiderstand ρ desMaterials, von der Querschnittsfläche A des Heizers und der Länge l derStrompfade bestimmt: R = ρ·l/A.
    [0003] AusGründender einfachen technologischen Handhabung werden nach dem Stand derTechnik prismatische Wabenheizkörperoder auch Rohrbündelzur elektrischen Kontaktierung an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten metallisiert,beispielsweise im Siebdruck- oder Walzverfahren. Daraus ergibt sich,dass die ElektrodenflächeA gleich der Stirnflächeder Wabenkörper,vermindert um die Summe der Querschnittsflächen der Kanäle, durchdie das Medium hindurchfliest, ist. Die Länge l der Strompfade ist identischmit der Längeder Kanäle.Der spezifische Widerstand der Widerstandsmaterialien lässt sich nichtbeliebig vermindern, insbesondere für keramische Widerstandskörper mitPTC-Charakteristik liegt die praktisch erreichte Untergrenze beietwa 5 bis 10 Ω·cm. Darausergeben sich bei der Herstellung von Waben, Rohrbündel- oderMehrkanalheizern zwei Konflikte.
    [0004] Für einengünstigenWärmeübergangwird eine ausreichend großeKanallängeangestrebt, wodurch sich aber der elektrische Widerstand erhöht und dieHeizleistung eingeschränktwird.
    [0005] Für einenniedrigen Strömungswiderstand desWabenheizers sollte der durchströmbareFlächenanteilder Wabe möglichsthoch sein. Das heißt aber,dass der verfügbareFlächenanteilfür dieAnschlusselektroden kleiner wird, was zu einer zusätzlichenBegrenzung der elektrischen Leistungsaufnahme führt.
    [0006] ZurLösungdes Konflikts wird beispielsweise durch die DE 100 60 301 A1 vorgeschlagen,die Kanäleder Wabenkörperinnen zu metallisieren, wobei benachbarte Kanäle auf unterschiedlicher Polarität liegenund die Längeder Strompfade gleich der Wandstärkeder Kanäleist. Diese Lösungsvorschläge erfordernaufwendige technologische Maßnahmen,um ausreichend breite Isolierabstände bzw. Kriechstrecken zwischenElektroden unterschiedlicher Polarität zu gewährleisten. Außerdem kannes bei geringen Wandstärken,die eigentlich strömungstechnischvorteilhaft sind, zu Ausfälleninfolge von Spannungsdurchschlägenkommen. Zusätzlichbesteht bei Wabenkörpernmit Innenmetallisierung das Problem, dass aus technologischen Gründen die Zellweitenach unten und die Kanallängenach oben eingeschränktwird.
    [0007] Inder DE 102 01 262A1 wird ein Wabenkörpervorgestellt, der parallel zu den Elektrodenflächen in zwei gleich große Hälften geschnittenwird. Die Schnittflächenwerden metallisiert, mit einem Pol der Spannungsquelle verbundenund anschließendwieder zusammengefügt.Der zweite Pol der Spannungsquelle liegt gleichzeitig an den beiden äußeren Elektrodenflächen dieserSandwich-Anordnung. Die auf diese Weise elektrisch parallel geschaltetenWabenhälftenhaben durch die Verdopplung der Elektrodenfläche bei gleichzeitiger Halbierungder Leiterlängeeinen viermal geringeren elektrischen Widerstand als die einfacheWabe. Nachteil dieser Anordnung ist der hohe Herstellungsaufwanddurch die zusätzlichenTrenn- und Metallisierungsschritte und es befinden sich innerhalbder Kanälenunmehr Fügestellen. Infolgevon schwer vermeidbaren Geometrietoleranzen kann es an diesen Fügestellenzu erheblichen Störungendes Strömungsverlaufeskommen.
    [0008] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für elektrischeWiderstandsheizelemente zu schaffen, die technologisch einfach realisierbarist und mit der zugleich hohe Leistungsdichten erreicht werden können. Essoll möglichsein, Kanalquerschnitt und Kanallänge im Hinblick auf wärme- undströmungstechnischeBelange auf den jeweiligen Anwendungsfall zuzuschneiden, ohne dass dabeidie Einschränkungender Metallisierungstechnologie zum Tragen kommen.
    [0009] Erfindungsgemäß wird dieseAufgabe bei einem elektrischen Fluidheizer aus Keramik- oder Polymerverbundwerkstoffmit einer Vielzahl von Kanälendurch die das zu beheizende Medium strömt dadurch gelöst, dassder Fluidheizer aus mindestens einem mit mindestens einem Kanalversehenem Heizelement besteht, dass das Heizelement auf den sich gegenüberliegendenAußenflächen mitElektrodenflächenbeaufschlagt ist, so dass ein Stromfluss zwischen den Elektrodenflächen imWesentlichen quer zur Richtung der Kanäle erfolgt, und dass mindestenseine der beiden Elektrodenflächendes Heizelementes eine Anschlussfläche aufweist, die auf der angrenzendenAußenfläche desHeizelementes angeordnet ist. Beim Aufbringen der Anschlussflächen istdabei zur jeweils andere Elektrodenfläche auf den jeweiligen Anwendungsfallzugeschnittener mehr oder weniger breiter Isolationsrand einzuhalten.Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darindass beliebig viele technologisch identisch hergestellte jeweilsum die Flächennormale derElektrodenflächenum 180° gedrehteHeizelemente aneinandergereiht werden können. Durch die Drehung undAneinanderfügungder Heizelemente könnendiese untereinander in Form einer Parallelschaltung über dieAnschlussflächenzu einem elektrischen Fluidheizer zusammengefügt werden. Die Verbindung kanndabei durch Klemmen, Kleben oder Löten erfolgen. Dabei werdendie Heizelemente exakt parallel ausgerichtet. In einer vorteilhaftenerfindungsgemäßen Ausführung können dieelektrischen Verbindungsleitungen gleichzeitig zur mechanischen Fixierungder Heizelemente dienen. Der Stromfluss durch den Wabenkörper erfolgtquer zur Strömungsrichtungdes Fluides. Der Elektrodenabstand ergibt sich aus der Summe vonZellweite plus doppelter Wandstärke.Er ist damit um ein Vielfaches kürzerals bei Stirnkontaktierung. Er erreicht aber nicht die kritischenWerte wie bei einer Innenmetallisierung.
    [0010] DieProzesssicherheit ist gegenüberder Innenmetallisierung höher,da eventuell vorhandene Löcheroder Schwachstellen in einzelnen Wabenwänden nicht unmittelbar zu Kurzschlussoder Spannungsdurchbruch führenkönnen.Niedrige Widerstandswerte ergeben sich aus der Parallelschaltung dervergleichsweise kurzen Strompfade durch die Kanalwände einzelnerSegmente sowie der zusätzlichenParallelschaltung der Segmente. Durch die erfindungsgemäße Anordnungist es möglich,im Extrudierverfahren Profile in Form einreihiger Wabensegmenteherzustellen. Diese könnenpräziseund kostengünstignach dem Sintern auf Längegeschnitten werden. Fürdie Metallisierung zum Aufbringen der Elektrodenflächen gibtes erprobte Verfahren der Siebdruck- oder Sputtertechnik.
    [0011] DieErfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.Die Zeichnungen zeigen:
    [0012] 1 schematischeDarstellung eines Heizelements
    [0013] 2 Explosivdarstellungdes erfindungsgemäßen elektrischenFluidheizers
    [0014] Wieaus 1 ersichtlich besteht das Heizelement 1 ausseinen wesentlichen Bestandteilen, den Kanälen 2 und den beidensich gegenüberliegenden Elektrodenflächen 3,4.Die erste Elektrodenfläche 3 stehtdabei mit der Anschlussfläche 5 inVerbindung. Die zweite Elektrodenfläche 4 steht in dieserAusführungsformmit keiner Anschlussfläche 5 inVerbindung. Es ist jedoch ohne weiteres möglich auch diese zweite Elektrodenfläche 4 miteiner zweiten Anschlussfläche,dann jedoch der ersten Anschlussfläche 5 genau gegenüberliegendend,zu versehen. Der Formkörperdes Heizelementes 1 besteht vorzugsweise aus PTC-Keramik,die auf Basis von halbleitendem Bariumtitanat und durch Zusatz organischer Bindemittelund Plastifikatoren zu einer steifplastischen Masse aufbereitetwurde. Im Extrusionsverfahren werden daraus die prismatische Formkörper mitjeweils einer Reihe von parallelen Kanälen 2 hergestelltund gesintert. Diese werden nach dem Sintern mit Diamanttrennscheibenauf Längegeschnitten. Durch Siebdrucken, Metallspritzen oder Sputtern werdendie Formkörpermit geeigneten strukturierten Metallelektroden, beispielsweise ausAluminium oder Silber, versehen.
    [0015] Dieso hergestellten Heizelemente 1 werden jeweils um 180° bezogenauf die Flächennormaleder Elektrodenflächen 3,4 gedrehtund aneinander gereiht. Somit entsteht ein Stapel von Heizelementen 1, wobeijeweils die erste Elektrodenfläche 3 mitder zweiten Elektrodenfläche 4 desbenachbarten Heizelementes 1 in Kontakt treten. Wie aus 2 ersichtlichwird überdie obere Zuleitung 6 der Kontakt zu den ersten Elektrodenflächen 3 unddamit auch zu den anliegenden zweiten Elektrodenflächen 4 über dieAnschlussflächen 5 z.B. durch Lötenhergestellt. Überdie untere Zuleitung 7 wird der Kontakt analog zu den erstenElektrodenflächen 3 unddamit wiederum zu den zweiten Elektrodenflächen 4 über dieAnschlussflächen 5 hergestellt.Die Verbindung kann neben dem Lötenauch durch Kleben oder Klemmen erfolgen. Durch genau diesen Aufbauist eine Parallelschaltung der Heizelemente 1 realisiert.Um Kurzschlüssezwischen den Elektrodenflächen 4 undden Anschlussflächen 5 bzw.den Zuleitungen 6,7 zu vermeiden sind bekanntermaßen entsprechendenIsoliermaßnahmenzu treffen. Wird beispielsweise ein PTC-Keramikwerkstoff mit einemspezifischen Kaltwiderstand von 10 Ω·cm zu einem Heizelement 1 gemäß 1 mitsechs parallelen Kanälen 2 von20 mm Kanallängeund 2×2mm Kanalquerschnitt sowie 0,4 mm Wandstärke geformt, so erreicht dieserbei Metallisierung mit seitlichen Anschlusselektroden gemäß 2 einenKaltwiderstand von etwa 5 Ω.Die Parallelschaltung von 5 derartigen Wabensegmenten führt zu einemGesamtwiderstand von 1 Ω.Bei einer Betriebsspannung von 12 V ist damit eine Leistungsaufnahmevon 144 Watt möglich.
    1 Heizelement 2 Kanal 3 ersteElektrodenfläche 4 zweiteElektrodenfläche 5 Anschlussfläche 6 obereZuleitung 7 untereZuleitung
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Elektrischer Fluidheizer aus Keramik- oder Polymerverbundwerkstoffmit einer Vielzahl von Kanälendurch die das zu beheizende Medium strömt und Elektrodenflächen, dadurchgekennzeichnet, dass – derFluidheizer aus mindestens einem mit mindestens einem Kanal versehenemHeizelement besteht, – dasHeizelement auf den sich gegenüberliegenden Außenflächen mitElektrodenflächenbeaufschlagt ist, so dass ein Stromfluss zwischen den Elektrodenflächen imWesentlichen quer zur Längsachseder Kanäleerfolgt, und – mindestenseine der Elektrodenflächeneine Anschlussflächeaufweist, die auf der angrenzenden Außenfläche des Heizelementes angeordnetist.
    [2] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Heizelemente als flache prismatische Körper mitjeweils mehreren parallelen Kanälen,deren Längsachsenin einer Ebene liegen, ausgebildet sind.
    [3] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1 und 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Heizelemente jeweils verdreht um 180° um die Flächennormaleder Elektrodenflächenaneinandergereiht angeordnet sind und die Anschlussflächen imKlemm-, Löt-oder Klebverfahren überelektrische Zuleitungen mit dem Plus- bzw. Minuspol der Versorgungsspannungverbunden sind.
    [4] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1 und 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Heizelemente jeweils verdreht um 180° um die Flächennormaleder Elektrodenflächenaneinandergereiht angeordnet sind und die Anschlussflächen imKlemm-, Löt-oder Klebverfahren überelektrische Zuleitungen an Phase und Nullleiter einer Wechselspannungsquelleangeschlossen sind.
    [5] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Heizelemente aus einem Material bestehen,das in einem vorwählbaren Temperaturintervalleinen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandesaufweist.
    [6] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Heizelement aus halbleitender Bariumtitanatkeramikmit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandesbesteht.
    [7] Elektrischer Fluidheizer nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Heizelement aus einem Polymerverbundwerkstoffmit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandesbesteht.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-10| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-06-29| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-11-11| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANG, DE |
    2014-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    2015-01-15| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20141001 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410016434|DE102004016434B4|2004-03-31|2004-03-31|Elektrischer Fluidheizer|DE200410016434| DE102004016434B4|2004-03-31|2004-03-31|Elektrischer Fluidheizer|
    PCT/DE2005/000586| WO2005096672A1|2004-03-31|2005-03-31|Elektrischer fluidheizer|
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