[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung mit Kaltleiter-(keramischem PTC)Heizelement,
wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
[0002] In der DE-OS 27 43 880, nämlich dem Hauptpatent zur vorliegenden Erfindung, ist eine
Heizeinrichtung mit einem optimierten Heizelement aus Kaltleiter-Material beschrieben.
Das Kaltleiter-Heizelement hat dabei als wesentliches Merkmal eine Dicke von nur 0,5
bis 2 mm bei einem in relativ engem Bereich gehaltenen spezifischen elektrischen Widerstand
des Kaltleiter-Materials, das zudem eine Curie-Temperatur haben muß, die wenigstens
50° höher ist als die für die Heizeinrichtung vorgesehene Abschalttemperatur.Diese
Ab- schalttemperatur beträgt z.3. für das Kochen von Wasser 100°C (373 K). Weiteres
wichtiges Merkmal einer Heizeinrichtung nach der obengenannten DE-CS ist, daß auf
beiden Seiten der Scheibe des Kaltleiter-Heizelementes möglichst gleich große Wärmeableitung
vorliegt. Die gleiche Gr ße der Wärmeableitung auf beiden Seiten hat Vorrang vor extrem
guter Wärmeableitung auf nur einer Seite.
[0003] Mit einer Heizeinrichtung nach der DE-OS ist es möglich geworden, im praktischen
Betrieb tatsächlich verwendbare, z.B. in Eierkochern, Kaffeemaschinen, Tauchsiedern
und dergl., einzubauende Einrichtungen zu schaffen, die nicht nur die an sie gestellten
Anforderungen bezüglich ausreichender Leistungsabgabe und sinnvoll bemessener Heiztemperatur-Begrenzung
erfüllen, sondern die auch dauerhaft sind und die fortwährenden Temperaturänderungen
und Temperaturspannungen im Kaltleiter-Material ohne zu Ausfall führendem Bruch der
Scheiben überdauern.
[0004] Weiterer Stand der Technik zu Heizeinrichtungen mit Kaltleiter-Bauelementen, die
tatsächlich in die technische Verwendung gelangen, ist in den deutschen Offenlegungsschriften
28 06 159 und 28 16 076 enthalten.
[0005] An sich ist der Einbau einer Heizeinrichtung mit Kaltleiter-Heizelement nach der
DE-OS 27 43 880 damit technisch problemlos geworden, jedoch besteht ein Bedürfnis
nach weiterer Vereinfachung des Einbaues, um einen noch weiteren Anwendungsbereich
erschließen zu können.
[0006] Diese Aufgabe wird mit einer Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst.
[0007] Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dem Hersteller von Geräten
mit elektrischen Heizeinrichtungen eine solche Kaltleiter-Heizeinrichtung zur Verfügung
zu stellen, die etwa vergleichsweise einem Drahtheizkörper mit dem darum befindlichen
elektrisch isolierenden Körper ist. Z.B. sollen bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
die nach außen geführten Anschlußfahnen einen den VDE-Vorschriften entsprechenden
Abstand voneinander haben, denn bei den scheibenförmigen Kaltleiter-Heizelementen
haben die beiden auf den Oberseiten der Kaltleiter-Scheibe befindlichen Elektroden
an sich nur einen höchstens 2 mm großen Abstand. Bei der Erfindung haben die elektrischen
Anschlußfahnen des Sandwich jedoch einen ausreichend großen Abstand voneinander, ohne
daß der Vorteil geringen Volumens des Kaltleiter-Heizelementes für vergleichsweise
hohe Heizleistung verlorengeht.
[0008] Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren
gegebenen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.
[0009] Fig.1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einbaufertigen erfindungsgemäßen,
als elektrische Heizeinrichtung zu verwendenden Sandwich.
[0010] Fig.2 zeigt eine Schnittdarstellung II-II eines Sandwich nach Fig.1.
[0011] Aus Fig.1 geht das Maß der Perfektion hervor, das die leichte Einbaubarkeit des Sandwich
mit Kaltleiter-Heizelement ermöglicht. Mit 2 ist die in der perspektivischen Ansicht
sichtbare obere Platte aus gesintertem Aluminiumoxid bezeichnet. Ein solcher Sinterkörper
hat hohe mechanische Festigkeit. Mit 12 ist der Rahmen aus Kunststoffmaterial bezeichnet,
mit dem eine dichte, insbesondere flüssigkeitsdichte, Verbindung zwischen der oberen
und der (in der Fig.1 nicht sichtbaren) unteren Aluminiumoxidplatte hergestellt ist.
[0012] Dieser Rahmen verläuft rund herum um den ganzen Sandwich. Mit 21 und 22 sind die
Anschlußfahnen für die Zuführung der Betriebsspannung, z.B. 220 Volt Netzspannung,
bezeichnet. Für diese beiden Anschlußfahnen 21 und 22 läßt sich der geforderte Mindestabstand
voneinander ohne Schwierigkeiten einhalten, nachdem ein wie in Fig.1 dargestellter
Sandwich für z.B. 500 Watt Heizleistung (für eine Abschalttemperatur von z.B. 100°C)
Abmessungen in der Größenordnung von 35 mal 35 mm hat.
[0013] Einzelheiten des Aufbaues eines Sandwich nach Fig.1 gehen aus der Schnittdarstellung
der Fig.2 hervor, in der mit 1 das Kaltleiter-Heizelement nach der eingangs genannten
DE-OS bezeichnet ist. Mit 2 sind die obere und die untere Aluminiumoxidplatte bezeichnet.
Zwischen den Plattenflächen 11 des Heizelementes 1 und der jeweiligen gegenüberliegenden
Fläche der Aluminiumoxidplatten 2 befindet sich je eine Schicht 4 aus duktilem Lot.
Insbesondere kommt hierfür ein Blei-Zinnlot mit vorzugsweise relativ hohem Bleigehalt,
wie z.B. ein Lot mit 95,5% Pb, 2,5% Ag, 2% Sn.in Frage. Dieses hat nicht nur relativ
hohe Duktilität, sondern auch einen genügend weit oberhalb der Temperatur liegenden
Schmelzpunkt, auf den sich das Kaltleiter-Heizelement (über seine Curie-Temperatur
hinaus) maximal aufheizen kann.
[0014] Mit dem Rahmen 12 aus wärmefestem Kunststoffmaterial sind die Ränder der beiden Aluminiumoxidplatten
2 miteinander verbunden. Von Vorteil ist auch eine Herstellung des Rahmens 12 nach
einem Spritzverfahren, und zwar direkt am Sandwich, wobei auch der in der Fig.2 sichtbare
Zwischenraum zwischen dem Heizelement 1 und dem Rahmen 12 praktisch vollständig ausgefüllt
sein kann. Es empfiehlt sich jedoch, für das Heizelement 1 einen, wenn auch nur äußerst
geringen, Raum für seitlich gerichtete thermische Ausdehnung zu belassen, scfern der
Kunststoff nicht ohnehin genügend elastisch ist.
[0015] Die bereits erwähnten Schichten 4 aus einem duktilem Lot dienen nicht nur als im
Prinzip an sich für eine andere Einbauart, nämlich mit Druckausübung, bekannte Elastizitätspolster,
sondern die Lotschichten 4 haben hier außerdem die wichtige Funktion des mechanischen
Zusammenhaltes. Das Heizelement 1 weist auf seinen Plattenseiten 11 eine ganzflächige,lötfähige
Metalli- sierung aus z.B. Einbrerennsilber auf und auch die je- weils gegenüberliegenden
Flächen der Aluminiumoxidplatten 2 sind mindestens bis zur Größe der Fläche des Heizelementes
lötbar metallisiert. Eine Metallisierungsschicht für die Aluminiumoxidplatten kann
z.B. ebenfalls aus Einbrennsilber oder auch z.B. aus durch Plasma- oder Flammen-Spritzen
aufgebrachtes Kupfer, Aluminium, Zink bestehen.
[0016] Die Fig.2 ist ein Schnitt gemäß II-II der Fig.1, so daß in der Darstellung der Fig.2
nur die Anschlußfahne 22 zu sehen ist. Diese ist durch den Rahmen 12 hindurchgeführt
und auf der Innenseite des Sandwich mit der Metallisierung der einen Aluminiumoxidplatte
2 elektrisch verbunden. Insbesondere ist diese Anschlußfahne 22 angelötet. Hierfür
kann vorgesehen sein, daß die Metallisierung der Aluminiumoxidplatte nur an der betreffenden
Stelle über den Rand des Heizelementes hinausreichend ist.
[0017] In der gleichen Weise wie die Anschlußfahne 22 ist auch die in der Fig.2 nicht sichtbare
Anschlußfahne 21 angeordnet und mit der in der Fig.2 und mit der Me- tallisierung
der in der Fig.2 unteren Aluminiumoxidplatte 2 elektrisch verbunden.
[0018] Für die Aluminiumoxidplattan 2 empfiehlt sich eine Dicke zwischen 0,5 und 2 mm. Eine
solch geringe Dicke bewirkt nur wenig Wärmewiderstand bei ohnehin guter Wärmeleitfähigkeit
des Al
2O
3.
[0019] Voranstehend ist die Verwendung von Einbrennsilber als Metallisierungsschicht 11
auf den entsprechenden Oberflächen des Kaltleiter-Heizelements 1 angegeben. Vorzugsweise
wird diese Metallisierung 11 aus Einbrennsilber in der Form einer Doppelschicht hergestellt.
Zunächst wird auf den mit der Metallisierung 11 zu versehenden Oberseiten der Kaltleiterscheibe
1 eine erste Schicht aus Einbrennsilber In-Ga-Ag-Legierung (Nr. E 4106, Demetron)
eingebrannt. Daraufhin wird dann Silber-Einbrenntinktur (Nr. E 4100, Demetron) auf
die bereits vorhandene Einbrennsilberschicht aus In-Ga-Ag aufgetragen und wiederum
eingebrannt. Diese Doppelschicht aus Einbrennsilber eignet sich hervorragend für den
weiteren Lötvorgang.
[0020] Es ist festgestellt worden, daß bei Anwendung der voranstehend beschriebenen Einbrenn-Versilberung
als Metallisierung 11 der Seiten der Kaltleiterscheibe 1 es erforderlich ist, nach
der Durchführung der Einbrenn-Versilberung die Kaltleiterscheibe mit Metallisierungsschicht
11 zu tempern, und zwar bei Temperaturen zwischen 300° und 400°C für die Dauer von
etwa 12 Stunden (8 bis 14 Stunden). Anderenfalls - so wurde festgestellt - verliert
das Kaltleitermaterial (Keramik-PTC-Material) der Scheibe 1 die starke Temperaturabhängigkeit
seiner Leitfähigkeit.
1. Heizeinrichtung mit einem plattenförmigen Kaltleiter-Heizelement; das auf seinen
Plattenflächen metallisiert ist nach Patent ....... (P 27 43 880), gekennzeichnet
dadurch, daß für vereinfachten Einbau das Kaltleiter-Heizelement als einstückiger
Sandwich (Fig.1) aufgebaut ist, wobei an beiden Plattenflächen (11) des Heizelementes
(1) Platten (2) aus gesintertem Aluminiumoxid angebracht sind, daß zwischen den Flattenflächen
(11) und der jeweiligen gegenüberliegenden lötbar metallisierten Fläche der Aluminiumoxidplatten
(2) je eine Schicht (4) aus duktilem Lot vorgesehen ist, mit denen das Heizelement
(1) und die Aluminiumoxidplatten (2) ganzflächig miteinander verlötet sind, und daß
an die Aluminiumoxidplatten (2) angelötete Anschlußfahnen (22, 23) vorgesehen sind.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Schicht (4) aus
duktilem Lot mindestens 0,1 mm dick gehalten ist.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Aluminiumoxidplatten
(2) über den Rand des Kaltleiter-Heizelementes (1) hinausreichend bemessen sind.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ränder
der Aluminiumplatten (2) durch einen umlaufenden Rahmen (12) miteinander verbunden
sind.
5. Heizeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der durch die überstehenden
Ränder der Aluminiumoxidplatten (2) zum Kaltleiter-Heizelement hin vorhandene Raum
mit einem wärmefesten Kunststoff des Rahmens (12) ausgefüllt ist.
6. Heizeinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Rahmen (12) durch
Umspritzen mit Kunststoff hergestellt ist.
7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß bei
Verwendung von Einbrennsilber für die Metallisierung der Plattenflächen 11 des Heizelements
1 nach dem Aufbringen der Einbrennsilberschichten die Platte 1 etwa 12 Stunden zwischen
300° und 400°C getempert wird.