SELF-REGULATING HEATING ELEMENT

Abstract: 1. Self-regulating heating element having at least one resistor heating member (1) arranged electrically insulated in a metal shell (11; 24; 30) and made of an electrically conducting ceramic material having a positive temperature coefficient of electrical resistivity, for the electrical insulation of the heating member against the metal shell (11; 24; 30) an electrically insulating foil (7, 8, 9) and a heat-conducting electrically insulating mass is used, characterized in that between the resistor heating member and the metal shell there is arranged a single or multiple layer wound insulation (7, 8, 9) surrounding the heating member (1) and made from electrically insulating foil material, which insulation contacts on the one hand the heating member (1) and on the other hand the inner surface (10) of the metal shell (11; 24; 30), interstices (12, 14, 18; 25, 26) being present between the layers of the foil winding in case there are several layers (7, 8, 9) provided, and interstices being present between the inner surface of the foil winding (7, 8, 9) which faces the heating member and the outer surface of the heating member (1), and interstices being present between the outer surface of the foil winding (7, 8, 9) and the inner surface (10) of the metal shell (11; 24; 30) are filled by said heat conducting electrically insulating mass.

Description: Selbstregelndes Heizelement Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Heizelement mit einem in einer Metallhülse elastisch isoliert angeordneten Widerstands-Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Bei Heizelementen vorgenannter Art stellt sich die Energieaufnahme des an eine Spannmgsquelle angeschlossenen Widerstands Heizkörpers ohne weiteres Zutun, also ohne Schaltmassnahme od.dgl., so ein, dass der Widerstands-Heizkörper eine bestimmte im wesentlichen von seiner Materialzusammensetzung abhängige Temperatur annimmt. Dies ergibt sich dadurch, dass der elektrische Widerstand des Widerstands-Heizkörpers oberhalb einer bestimmten Temperatur stark zunimmt und demgemäss die Energieaufnahme aus der elektrischen Spannungsquelle sinkt. Dieser Wirkungszusammenhang hält nun zwar die Temperatur des an die Spannungsquelle angeschlossenen Widerstands-Heizkörpers selbst praktisch konstant, vermag. aber die Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die erzeugte Warme abgenommen wird, bei den bisher bekannt gewordenen bzw. beschriebenen Heizelementen dieser Art nicht im erwünschten Ausmass konstant zu halten, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die Wärmeabfuhr von der Umhüllung schwankt. Dieser Nachteil rührt daher, dass der Wärmewiderstand, der zwischen dem Widerstands-Heizkörper und der Umhüllung vorliegt, ein Temperaturgefälle verursacht, dessen Grösse von der von der'Umhüllung abgeführten Wärmemenge abhängt, wozu vielfach noch kommt, dass sich der Wert des Wärmewiderstandes mit Änderung des Temperaturgefälles gleichfalls ändert. Dementsprechend kommt es zu unerwünschten Schwankungen der Temperatur der Umhüllung des Heizelementes, von der die Wärme abgenommen wird, obwohl der Heizkörper des Heizelementes eine praktisch konstante Temperatur hat. Ziel der Erfindung ist es, ein selbstregelndes Heizelement eingangs erwähnter Art zu schaffen, bei dem der vorstehend angeführte Nachteil behoben ist und bei dem auch die Umhüllung eine weitgehend konstante Temperatur hat. Das erfindungsgemässe selbstregelnde Heizelement eingangs erwähnter Art ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Widerstands-Heizkörper und der Metallhülse eine ein- oder mehrlagige Isolierung aus elektrisch isolierenden Folien angeordnet ist, die einerseits am Heizkörper und andererseits an der Innenfläche der Metallhülse anliegt, wobei zonale Zwischenräume zwischen den Folienlagen und zwischen der dem Heizkörper zugewandten Fläche und der Folienisolierung und zwischen der Folienisolierung und der Metallhülse mit einer wärmeleitenden Masse gefüllt sind. Durch die erfindungsgemäss vorgesehene Ausbildung kann ein sehr geringer Wärmewiderstand der zwischen dem Widerstands Heizkörper und der Umhüllung des Heizelementes notwendigen elektrischen Isolierung erhalten werden, der sich auch bei wechselnden Betriebsbedingungen praktisch nicht ändert. Hiebei wird durch das Vorsehen einer Folienisolierung, da Folien schon bei sehr geringen Dicken eine ausreichende elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen, ein kleiner Wärmewiderstand erhalten, wobei durch die mehrlagige Ausbildung dieser Isolierung den Sicherheitsanforderungen gut entsprochen wird. Der Wärmewiderstand der Folien selbst ist gering und weist eine gute Konstanz auf, und es ist durch die wärmeleitende Masse, mit der im Zuge der Fertigung unvermeidlich auftretende Zwischenräume im Weg des Wärmeflusses vom Heizkörper zur Umhüllung gefüllt sind, auch dafür gesorgt, dass der Wärmewiderstand auch im Bereich der Ubergangsstellen gering und weitgehend konstant ist. So ergibt sich durch den erfindungsgemässen Aufbau der Isolierung ein, in Relation zur Durchschlagsfestigkeit gesetzt, sehr günstiger und praktisch konstanter Wert des Wärmewiderstandes. Der Umstand, dass die erfindungsgemässaufgebaute Isolierung in einer Metallhülse sitzt, trägt weiter zu den vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemässen Ausbildung eines selbstregelnden Heizelementes eingangs erwähnter Art bei. Dies erscheint dadurch erklärbar, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der Metalle geringer als der elektrisch isolierender Kunststoffe ist, wobei hier neben den Folien auch besonders die wärmeleitende Masse von Bedeutung ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dabei, wenn man vorsieht, dass die Metallhülse zumindest bei Betriebstemperatur einen Druck auf die Folienisolierung ausübt, und diese an den Heizkörper anpresst. Dies kann durch entsprechend koordinierte Auswahl des Isolierfolienmaterials und durch entsprechende Auswahl der Ausgangsstoffe für die wärmeleitende Masse und durch eine entsprechende Herstellungs.technologie beim Anbringen dieser Masse zwischen dem Heizkörper und der Metallhülse erreicht werden. Man kann dabei z.B. als wärmeleitende Masse eine vulkanisierbare Masse, z.B. eine Silikon Kautschuk-Masse, die ein die Wärmeleitung verbesserndes Füllmittel enthält, vorsehen und das Vulkanisieren bei einer wesentlich unter der Curie-Temperatur des Keramikmaterials, aus dem der Heizkörper besteht, liegenden Temperatur vornehmen, woraus sich mit der bei Erwärmung dieser Masse auf Betriebstemperatur einhergehenden Expansion dieser Masse ergibt, dass die Metallhülse einen Druck auf die Folienisolierung ausübt und diese an den Heizkörper anpresst. Man kann auch vorteilhaft vorsehen, dass die Metallhülse eine mechanische Vorspannung aufweist und dadurch elastisch auf die Folienisolierung drückt. Eine solche Vorspannung kann z.B. sehr einfach dadurch hergestellt werden, dass man bei einer annähernd kreiszylindrischen Form eines bereits mit einer ein- oder mehrlagigen Folienisolierung umgebenen Heizkörpers eine Metallhülse vorsieht, die einen im Ruhezustand ovalen Querschnitt hat, und diese Hülse zum Einführen dieses Heizkörpers elastisch im Sinne einer Veränderung ihres Quer schnittes zur Kreisform zusammendrückt, wobei nach dem Wegfall dieser Druckkraft die eng den mit einer Folienisolierung umgebenen Heizkörper umschliessende Metallhülse im Bestreben, wieder ihre ovale Querschnittsform anzunehmen, einen Druck auf die Folienisolierung ausübt, der diese an den Heizkörper anpresst. Analog kann z.B. auch bei einem im wesentlichen ovalen Querschnitt des mit einer Folienisolierung umgebenen Heizkörpers von einer im Ruhezustand kreiszylindrischen Metallhülse ausgegangen werden, die man zum Ermöglichen des Einführens des einen ovalen Querschnitt aufweisenden folienisolierten Heizkörpers elastisch zur ovalen Querschnittsform verformt, wobei sich nach Wegfall dieser Verformungskraft wieder eine Druckausübung von der Metallhülse auf die Folienisolierung ergibt. Die Erfindung wird nun anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die Figuren 1, 2 und 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgeaenstandes im zu im Quer- und im Längsschnitt, die Figuren 4 und 5 ein anderes Ausführungsbeispiel, gleichfalls im Quer- und im Längsschnitt, und die Figuren 6 bis 8 das Aufbringen einer eine mechanische Vorspannung aufweisenden Metallhülse auf einem bereits mit einer Folienisolierung versehenen Heizkörper eines erfindungsgemässen Heizelementes. Die Zeichnungsfiguren sind, insbesondere hinsichtlich der Folienisolierung, im Interesse einer übersichtlicheren Darstellung schematisch und nicht massstäblich gehalten. Bei dem in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Widerstands-Heizkörper 1 aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes vorgesehen, der an den Flächen 2 und 3 mit Strornanschlüssen 4, 5 versehen ist, zu denen wärmebeständig isolierte Anschlussdrähte 6 führen. Der Widerstands-Heizkörper 1 ist von drei Lagen 7, 8, 9 elektrisch isolierender Folien umgeben, wobei die innerste Lage 7 am Heizkörper 1 und die äusserste Lage 9 an der Innenfläche 10 einer becherförmigen Metallhülse 11 anliegt. Die innerste Folienlage 7 ist fest um den Widerstands-Heizkörper 1 gewickelt, und es liegen die Folienlagen 7, 8, 9 fest aneinander, und es ist das ganze so entstandene Gebilde aus dem Widerstands Heizkörper 1 und den ihn umgebenden Folienlagen 7, 8, 9 streng passend in die becherförmige Metallhülse 11 eingeschoben. Trotz des engen Anliegens der Folienlagen 7, 8, 9 aneinander und am Widerstands-Heizkörper 1 und an der Innenfläche 10 der Metallhülse 11 ergeben sich dabei zonale-Zwischenräume, wie z.B. die Räume 12 beiderseits der Anschlüsse 4, 5 oder Räume 14 an den Enden 15 der Folien jeder Lage, wie dies in grösserem Massstab in Figur 3 verdeutlicht ist. Diese Räume und auch der zwischen dem Stirnende 16 des Heizkörpers 1 und dem Boden 17 der becherförmigen Metallhülse 11 vorliegende Raum 18 sind mit einer wärmeleitenden Masse gefüllt, welche im Zuge des Zusammenfügens des Heizkörpers 1 mit der aus mehreren Folienlagen 7, 8, 9 bestehenden Isolierung und dem Einschieben des so entstandenen Gebildes in die Metallhülse 11 oder nach diesem Einschieben eingebracht werden kann. Es kommt dabei für diesen Zweck eine elektrisch isolierende Masse guter Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. ein mit einem wärmeleitenden Füllmittel, wie z.B. Magnesiumoxid, versetzter, vulkanisierbarer Silikonkautschuk, in Betracht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 4 und 5 sind die elektrischen Anschlüsse des aus stromleitendem Keramikmaterial bestehenden Heizkörper 1 in Form zweier Metallklötzchen 21, 22 ausgebildet, die seitlich am Heizkörper 1 anliegen und die zylindrische Aussenflächen 23 haben. Die Anschlussdrähte 6 sind an diese Metallklötzchen 21, 22 angeschlossen und in dem oberhalb und unterhalb des Heizkörpers 1 zwischen den Metallklötzchen 21, 22 befindlichen Raum geführt. Diese Ausbildung'ermöglicht es, einen besonders niedrigen Wärmewiderstand zwi schen dem Heizkörper 1 und der im vorliegenden Fall die Umhüllung des Heizelementes bildenden Metallhülse 24 zu erzielen. Hiezu trägt bei, dass die Wärme vom Heizkörper 1 leicht und unbehindert auf die Metallklötzchen 21, 22 übertritt und dass durch die der Metallhülse 24 konforme Ausbildung der Aussenfläche 23 der Metallklötzchen 21, 22 auch eine durch die beiden Lagen 7, 8 gebildete Folienisolierung das Abfliessen der Wärme von diesen Metallklötzchen zur Metallhülse 24 kaum behindert. Auch in diesem Fall sind die im Zuge der Fertigung allfällig auftretenden zonalen Zwischenräume zwischen dem- Heizkörper 1 und der Lage 7 der Folienisolierung sowie allfällige Zwischenräume in der Folienisolierung und zwischen der Folienisolierung und der Metallhülse 24 mit einer wärmeleitenden Masse gefüllt, die auch die beiden an den Enden der Metallhülse 24 beidseits des Heizkörpers 1 vorliegenden Räume 25, 26 ausfüllt und damit das Heizelement verschliesst. Auch bei diesem in den Figuren 4 und. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann ein guter Wärmeübergang vom Heizkörper über die Folienisolierung zur Metallhülse 24 durch entsprechend sattes Aneinanderanliegen der im Fliessweg der Wärme aufeinanderfolgenden Teile, wobei dieses Aneinanderanliegen durch ein streng passendes Einschieben des Heizkörpers mit der Folienisolierung in die Metallhülse 24 gefördert wird, erzielt werden. Man kann dabei auch durch Wahl der Zusammensetzung der wärmeleitenden Masse, welche die zonalen Zwischenräume im Heizelement ausfüllt, erreichen, dass diese bis zur vorgesehenen Betriebstemperatur des Heizelementes bereits merklich expandiert und damit eine Pressung auf die in der Metallhülse des Heizelementes befindlichen Teile ausübt und dadurch den Wärmeübergang verbessert. Zum Erzielen einer Pressung kann man auch vorsehen, dass die Metallhülse 11 bzw. 24 eine mechanische Vorspannung aufweist und dadurch elastisch auf die Folienisolierung drückt. Eine Ausführungsform dieser Technik. ist in den Figuren 6 bis 8 verdeutlicht. Es wird dabei zum Umhüllen eines im wesentlichen kreiszylindrisch geformten Gebildes, das aus einem aus stromleitendem Keramikmaterial bestehenden Heizkörper 1 und einer diesen Heizkörper umgebenden Isolierung aus mehreren Lagen 7, 8, 9 einer elektrisch isolierenden Folie besteht, von einer Metallhülse 30 ausgegangen, welche, wie Figur 6 zeigt, einen ovalen bzw. elliptischen Querschnitt hat. Durch Druckkräfte, welche einander gegenüberliegend an der Hülse 30 von aussen angreifen und annähernd in Richtung der längeren Achse des Querschnittes der Hülse 30 wirken, wie dies durch die Pfeile 31,32 verdeutlicht ist, wird die zunächst ovale Hülse elastisch zu einer annähernd kreiszylindrischen Hülse -verformt, wie Figur 7 zeigt. In diese Hülse wird dann, wie Figur 8 zeigt, der von der Isolierung umgebene Heizkörper 1 eingeschoben, und es wird die Hülse 30 von den entsprechend den Pfeilen31, 32 wirkenden Druckkräften entlastet. Dadurch trachtet die Hülse 30 wieder ihre in Figur 6 dargestellte ovale Querschnittsform anzunehmen und übt dadurch entsprechend den Pfeilen 33, 34 wirkende Druckkräfte auf die mehrlagige Folienisolierung aus, welche dadurch innig an der Innenfläche der Metallhülse 30 einerseits und an den beidseits des Heizkörpers 1 befindlichen Metallklötzchen 21, 22 zum Anliegen kommt, die ihrerseits an den Heizkörper 1 angepresst werden. Solcherart ergibt sich eine sehr gute Wärmeübertragung vom Heizkörper 1 auf die Metallhülse 30 des Heizelementes.

Claims: Patentansprüche 1. Selbstregelndes Heizelement mit mindestens einem in einer Metallhülse elektrisch isoliert angeordneten Widerstands Heizkörper aus stromleitendem Keramikmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Wi derstandes, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wi derstands-Heizkörper und der Metallhülse eine ein- oder mehrlagige Isolierung aus elektrisch isolierenden Folien angeordnet ist, die einerseits am Heizkörper und anderer seits an der Innenfläche der Metallhülse anliegt, wobei zonale Zwischenräume zwischen den Folienlagen und zwi schen der dem Heizkörper zugewandten Fläche und der Fo lienisolierung und zwischen der Folienisolierung und der Metallhülse mit einer wärmeleitenden Masse gefüllt sind. 2. Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallhülse zumindest bei Betriebs temperatur einen Druck auf die Folienisolierung ausübt, und diese an den Heizkörper anpresst. 3. ' Selbstregelndes Heizelement nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallhülse eine mechanische Vor spannung aufweist und dadurch elastisch auf die Folien isolierung drückt.

Inventors: MENHARDT, WALTHER, DR.
Applicants: MENHARDT, WALTHER, DR.
Application year: 1982
Main classification: H05B3
IPC codes: H05B3