EP1648199A1 - Heizelement mit verbesserter Wärmeführung - Google Patents

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EP1648199A1
EP1648199A1 EP04024777A EP04024777A EP1648199A1 EP 1648199 A1 EP1648199 A1 EP 1648199A1 EP 04024777 A EP04024777 A EP 04024777A EP 04024777 A EP04024777 A EP 04024777A EP 1648199 A1 EP1648199 A1 EP 1648199A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
carrier
conductor
heating element
heating conductor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04024777A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Petermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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
Application filed by DBK David and Baader GmbH filed Critical DBK David and Baader GmbH
Priority to EP04024777A priority Critical patent/EP1648199A1/de
Publication of EP1648199A1 publication Critical patent/EP1648199A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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 [2D] plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/265—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an inorganic material, e.g. ceramic
    • 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
    • H05B3/16—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being mounted on an insulating base
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/003—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using serpentine layout

Definitions

  • the present invention relates to an electric heating element with a heating conductor, which is traversed by an electric current during heating, and with an electrically insulating support, which is mechanically connected to the heating conductor.
  • the heating element is applied to at least two surfaces of the carrier.
  • the present invention relates to a method for producing such a heating element.
  • planar electrical heating elements are used in the most diverse areas of industrial technology: in irons, ironing machines, kettles, plastic molds and soldering iron as well as welding elements, for example in strip welding machines.
  • the heating element is required to weld strips of plastic in an overlapping manner in a matter of seconds.
  • the two ends of the strip are simultaneously heated with the aid of the heating element and melted on the later contact surfaces.
  • the heating element is pulled out and the two ends of the band are pressed together.
  • the heating element must be small and flat and have a high power density. Furthermore, it should have sufficient long-term stability and be produced in the most cost-effective and simple manner possible.
  • a heating conductor usually a round wire or flat wire
  • an insulating support plate usually micanite
  • the ends being passed through a bore and contacted by means of a crimp connection.
  • a heating conductor usually a round wire or flat wire
  • an insulating support plate usually micanite
  • the object underlying the present invention is therefore to provide an improved heating element in which, especially for applications requiring higher power densities, the heat transfer to the outside improves and the reliability can thus be increased, wherein the heating element continues to be particularly cost-effective and easy to produce.
  • the present invention is based on the idea that the use of a structured heating conductor foil as heating conductor can overcome the disadvantages typical of a winding technique.
  • the use of a planar film allows consistently very low heights and a flat concern of the heating element both to the carrier as well as to external housing materials.
  • Such Schuleiterfolien can be designed arbitrarily and z. B. be kept wider at places with disabled heat dissipation.
  • the film can be structured by punching, laser cutting, water jet cutting, eroding or etching.
  • the Schuleiterfolie may consist of any Schuleiter- or resistance alloys.
  • the heating conductor foils are structured in such a way that a continuous conductor track with at least one heating region and a first and second connection region is formed, then the required electrical functionality can be realized in a particularly simple manner and it can be achieved, for example, that both connection regions are as close as possible are together, which greatly simplifies the connection technique.
  • the width of the conductor track in the heating regions differs from the width of the conductor tracks in the connection regions. If, for example, a greater width is selected in the connection areas, then the widening of the current path that is advantageous here can be achieved without an associated increase in thickness. Overheating and unacceptable mechanical stress on the Schuleiterbahnen can be prevented in this way.
  • the heating conductor has at least a first and a second heating region, wherein the heating regions are each arranged on opposite surfaces of the carrier.
  • the heating conductor foil is bent in such a way that it is guided around the carrier with a substantially U-shaped cross section. This can be achieved in an advantageous manner that the carrier is covered on two mutually substantially opposite surfaces of the heating conductor. In particular, in the case of strip welding machines or soldering irons, as well as in the range of heating elements for toasters, so can be accomplished in a confined space, the heating of two support surfaces.
  • the Schuleiterfolie both during manufacture as well as for a strain relief during operation, it is advantageous if the Schuleiterfolie at least one connection area mechanically connected to the carrier.
  • a mechanical connection can be realized in a very simple manner by the interaction of tabs and openings, wherein the tabs or tabs can be provided both on the heating conductor foil as well as on the carrier and cooperate with corresponding openings or recesses.
  • the heating conductor can be glued to the carrier by means of a suitable adhesive according to a further advantageous embodiment.
  • connection area is widened in comparison with the conductor tracks in the heating area, not only an increase in mechanical resistance but also improved heat dissipation can be achieved since the power density is reduced here, and overheating can thus also be avoided at these points.
  • an advantageous widening of the current path can be achieved without an associated increase in the thickness. Overheating and unacceptable mechanical stress on the Schuleiterbahnen can be prevented in this way.
  • the heating conductor foil can be structured in the heating regions such that zones with different heating power are formed by different widths of the conductor paths.
  • the heating conductor foil in the heating region is preferably designed meandering.
  • the material micanite offers as a carrier the advantage of very good electrical insulation properties with extremely high heat resistance and good mechanical properties.
  • the carrier material can be punched from a plate layer, lasered or water jet cut. The use of several, superimposed layers of the carrier material is possible.
  • Mikanit offers the advantage of low thermal conductivity, so that the heat is conducted exclusively in the required direction to the outside.
  • a temperature sensor for detecting the temperature occurring in the heating element is further provided in the heating element according to the invention.
  • the power supply can be regulated according to the actual temperatures reached.
  • a thermocouple for example a nickel / chromium-nickel thermocouple, is preferably used.
  • all other conventional temperature sensors can be used.
  • a thermally conductive, electrically insulated from the heating conductor housing which surrounds the carrier and the heating conductor at least partially.
  • the housing itself can be electrically insulating or else the heating element can be made insulated by insulating films or potting compounds relative to the housing.
  • the insertion of the prefabricated, unhoused heating element in a customer-side housing is possible.
  • the electric heating element 100 in this case has to generate the required heat to a heating conductor 102, which is traversed by the generation of heat from electric current.
  • the heating conductor 102 is formed by a correspondingly structured heating conductor foil.
  • the heating conductor 102 is mounted on a carrier 104.
  • the heating conductor 102 is guided around the carrier 104 such that in each case a heating region 106, 107 is located on the two opposite sides of the carrier 104.
  • the heating conductor foil 102 is connected to the carrier 104 in a total of four areas.
  • lugs 110 are formed on the end face 108 of the carrier 104, which engage in corresponding openings 112 of the heating conductor 102.
  • a mechanical fixation of the heating conductor 102 on the carrier 104 can be realized, on the other hand can be provided in this way during assembly a positioning aid in mounting the bent heat conductor 102 to the carrier 104.
  • heating conductor 102 tabs 114 which through corresponding recesses 116 can be inserted on the carrier 104.
  • This form of connection on the one hand in turn causes the mechanical attachment of the heat conductor 102 to the carrier 104, but on the other hand also allows a strain relief against a train through the attached to the heat conductor 102 electrical leads 118th
  • thermocouple 120 for example a nickel-chromium-nickel thermocouple, is provided for monitoring the temperature applied to the heating element. The evaluation of the signal of this thermocouple enables an automatic adjustment of the power supply to the heating conductor foil 102.
  • the heating region 106 of the heating conductor foil 102 is designed with a plurality of meander loops, while the connection region 122 is designed with a significantly wider conductor cross-section.
  • the power density in the connection region can be reduced compared to the power density in the heating region, and thus overheating can be prevented.
  • the heating element 100 is shown in the fully packaged condition, as might be present prior to installation in a strip welding machine.
  • the components shown in Figure 1 are installed in a housing 124 which is made for improved transfer of heat to the outside of a good heat conductive material.
  • the heating conductor 102 can either be covered with an insulating film 126 or be encapsulated with an insulating material.
  • the housing itself may be made of an electrically insulating material.
  • FIG. 4 shows the structured heating conductor foil 102 before it is bent around the carrier 104.
  • the heating conductor foil 102 is structured, for example by an etching process, in such a way that a continuous conductor path results which extends from the connection region 122 to the connection region 123 leads.
  • the conductor runs through a plurality of heating regions 106, 107, which are each designed meandering.
  • Connection areas 128 and 130 serve to connect the heating conductor foil 102 to the carrier 104.
  • connection regions 122, 123 can also be designed directly as plug lugs for the electrical contacting.
  • the width of both the connection regions 122, 123 and the connection regions 128, 130 is considerably larger compared to the width of the meander loops of the heating regions 106, 107.
  • the power density in these areas compared to the power density in the heating areas 106, 107 can be significantly reduced, whereby the mechanical and electrical stability as well as the reliability of the heating element 100 according to the invention can be significantly increased.
  • the heating conductor foil 102 may be made of any Schuleiter- or resistance material, such as Kanthal A®. It is important in the choice of material for the heating element z. As a high scale resistance at the elevated temperatures occurring.
  • the connecting regions 128 and 130 serve to fix the heating conductor foil 102 on the carrier 104.
  • the heating conductor foil 102 can also be glued onto the carrier by means of a suitable adhesive.
  • the connecting portion 128 includes rectangular openings 112 which cooperate with associated lugs 110 of the carrier 104 for mechanical fixation and positioning during assembly.
  • the connection region 128 is thereby placed on the end face 108 of the carrier 104 in order to form a deflection region.
  • the connecting regions 130 are formed by tabs 114, which are bent over and can be inserted into recesses 116 of the carrier.
  • Figure 5 shows a plan view of the carrier 104.
  • the carrier may be made of an electrically insulating material, such as micanite, one or more layers are produced. It can be formed, for example, by punching, laser cutting or water jet cutting.
  • the lugs 110 and the recesses 116 are produced in the punching, laser, or water jet cutting process. Openings 132, 133 are congruent with bores in the later mounted housing and allow later attachment of the heating element 100 to a device mount.
  • the housing 124 is shown in detail.
  • This housing can be formed according to the present embodiment, for example, by a metallic tube that is pressed flat and the end face of the heating element is closed frontally. In this case, it is necessary to electrically insulate the heating conductor 102 from the inside, for example by an insulating film with respect to the housing 124.
  • the carrier 104 and the heating conductor 102 are manufactured independently.
  • the carrier can be produced in one or more layers, for example, from micanite by punching, laser cutting or water jet cutting.
  • the heating conductor 102 is produced according to the invention from a Schuleiterfolie, wherein this is done by a variety of techniques, but preferably via an etching step.
  • the structuring can, in accordance with the usual process steps of a metallization structuring z. B. in the PCB manufacturing, are carried out by means of a phototechnology.
  • the heating conductor 102 is bent in a U-shape, so that later the heating regions 106 can each rest against one of the two surfaces of the carrier 104.
  • the tabs 114 are also bent so bent that they are in the final mounted state U-shaped are guided around the carrier 104.
  • the heating conductor and the carrier are adjusted to each other, so that the connecting portion 128 of the heat conductor 102 is located on the end face 108 of the carrier 104 and the lugs 110 engage in the openings 112.
  • the tabs 114 to allow insertion into the recesses 116, are slightly bent, passed through the recesses 116, and then bent to abut the carrier 104.
  • terminal portions 122, 123 are welded with a nickel braid as a lead 118.
  • All the usual methods of electrical connection such as soldering, crimping, screwing and the like as well as other strand materials, such as copper, can be used here.
  • thermocouple 120 can now be inserted.
  • a housing 124 which can be made for example in the form of a flattened tube.
  • the electrical heating element according to the invention can be realized in an advantageous manner in a miniaturized form and has without lead, for example, dimensions of about 37 mm x 15 mm x 3.4 mm, where it in power ranges of 24 V and 80 W, ie at power densities of more than 20 W / cm 2 can be reliably operated.
  • the principles of the invention are of course applicable to larger size heating elements, as they are for. B. in toasters, radiant heaters or the like may be needed.

Landscapes

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizelement (100) mit einem Heizleiter (102), der beim Heizen von elektrischem Strom durchflossen ist, und mit einem elektrisch isolierenden Träger (104), der mit dem Heizleiter (102) mechanisch verbunden ist. Dabei ist der Heizleiter (102) auf mindestens zwei Oberflächen des Trägers (104) aufgebracht. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements. Um ein verbessertes Heizelement anzugeben, bei dem vor allem für Anwendungen, die höhere Leistungsdichten erfordern, der Wärmeübergang nach außen verbessert und die Zuverlässigkeit somit erhöht werden kann, wobei das Heizelement weiterhin besonders kostengünstig und einfach herstellbar ist, wird als Heizleiter eine strukturierte Heizleiterfolie verwendet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Heizelement mit einem Heizleiter, der beim Heizen von einem elektrischen Strom durchflossen ist, und mit einem elektrisch isolierenden Träger, der mit dem Heizleiter mechanisch verbunden ist. Dabei ist der Heizleiter auf mindestens zwei Oberflächen des Trägers aufgebracht. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements.
  • In der Regel planar aufgebaute elektrische Heizelemente finden in den vielfältigsten Bereichen der industriellen Technik Anwendung: in Bügeleisen, Bügelmaschinen, Wasserkesseln, Plastikgießformen und Lötkolben sowie als Schweißelemente beispielsweise in Bandschweißautomaten.
  • Bei einem derartigen Bandschweißautomaten, der beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 072 131 B1 beschrieben ist, wird das Heizelement dazu benötigt, Bänder aus Kunststoff in Sekundenschnelle überlappend zu verschweißen. Dazu werden mit Hilfe des Heizelements gleichzeitig die beiden Enden des Bandes erhitzt und an den später miteinander in Kontakt stehenden Flächen angeschmolzen. Anschließend wird das Heizelement herausgezogen und die beiden Enden des Bandes werden zusammengepresst. Damit ein derartiger Vorgang rationell ablaufen kann, muss das Heizelement klein und flach sein und eine hohe Leistungsdichte haben. Weiterhin sollte es eine ausreichende Langzeitstabilität besitzen und auf möglichst kostengünstige und einfache Weise herstellbar sein.
  • Es ist weiterhin bekannt, flache Heizelemente dadurch herzustellen, dass ein Heizleiter, üblicherweise ein Runddraht oder Flachdraht, um eine isolierende Trägerplatte, meist Mikanit, gewickelt wird, wobei die Enden durch eine Bohrung geführt und mittels einer Crimpverbindung kontaktiert werden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US-amerikanischen Patentschrift US 6,417,492 B1 für einen Toaster bekannt. Verwendet man jedoch derartige Heizelement zur Erzeugung von Heizleistungen, die im Bereich von 20 W/cm2 oder darüber liegen, tritt das Problem auf, dass eine behinderte Wärmeabfuhr an irgendeiner Stelle des Heizelementes sehr rasch zum Ausfall desselben führen kann.
  • In Wickeltechnik hergestellte Heizelemente beinhalten jedoch per se die folgenden Schwachpunkte bezüglich der Wärmeabfuhr, die prinzipbedingt in dieser Technik nicht überwunden werden können:
    1. 1. An den Umkehrpunkten des Heizleiters liegt ein kleines Stück des Heizleiters frei an Luft, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch besteht die Gefahr des vorzeitigen Durchbrennens des Heizleiters an den Umkehrpunkten.
    2. 2. An dem Übergang zwischen dem Heizleiter und der elektrischen Zuleitung ist aufgrund der Verdickung der Zuleitung die Wärmeabfuhr ebenfalls eingeschränkt und der Heizleiter ist außerdem mechanisch an dieser Stelle stark belastet.
    3. 3. In der Regel ist das Heizelement im Anschlussbereich erhaben ausgeführt und die Wärmeabfuhr ist daher behindert.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, ein verbessertes Heizelement anzugeben, bei dem vor allem für Anwendungen, die höhere Leistungsdichten erfordern, der Wärmeübergang nach außen verbessert und die Zuverlässigkeit somit erhöht werden kann, wobei das Heizelement weiterhin besonders kostengünstig und einfach herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Heizelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 17 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass durch die Verwendung einer strukturierten Heizleiterfolie als Heizleiter die für eine Wickeltechnik typischen Nachteile überwunden werden können. Der Einsatz einer planaren Folie erlaubt durchgängig sehr geringe Bauhöhen und ein flächiges Anliegen des Heizelements sowohl an den Träger wie auch an außenliegende Gehäusematerialien. Derartige Heizleiterfolien können beliebig gestaltet sein und z. B. an Stellen mit behinderter Wärmeabfuhr breiter gehalten werden. Dabei kann die Folie durch Stanzen, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Erodieren oder Ätzen strukturiert werden. Die Heizleiterfolie kann aus beliebigen Heizleiter- bzw. Widerstandslegierungen bestehen.
  • Strukturiert man die Heizleiterfolien in einer Weise, dass eine durchgehende Leiterbahn mit mindestens einem Heizbereich sowie einem ersten und zweiten Anschlussbereich gebildet ist, so kann die benötigte elektrische Funktionalität auf besonders einfache Weise realisiert werden und es kann beispielsweise erreicht werden, dass sich beide Anschlussbereiche möglichst nahe beieinander befinden, was die Anschlusstechnik stark vereinfacht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich die Breite der Leiterbahn in den Heizbereichen von der Breite der Leiterbahnen in den Anschlussbereichen. Wählt man beispielsweise in den Anschlussbereichen eine größere Breite, so kann die hier vorteilhafte Aufweitung des Strompfades ohne eine damit einhergehende Erhöhung der Dicke erreicht werden. Eine Überhitzung und eine unzulässige mechanische Belastung der Heizleiterbahnen kann auf diese Weise verhindert werden.
  • Insbesondere für den Einsatz des Heizelements in einem Bandschweiß- oder Umreifungsautomaten wird eine besonders effektive Aufheizung der zu erwärmenden Komponenten dadurch erreicht, dass der Heizleiter mindestens einen ersten und einen zweiten Heizbereich aufweist, wobei die Heizbereiche jeweils auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers angeordnet sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Heizleiterfolie so gebogen, dass sie mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt um den Träger geführt ist. Damit kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass der Träger an zwei aneinander im Wesentlichen gegenüber liegenden Oberflächen von dem Heizleiter bedeckt ist. Insbesondere im Falle von Bandschweißmaschinen oder Lötkolben, wie auch im Bereich von Heizelementen für Toaster, lässt sich so auf engstem Raume die Beheizung zweier Trägerflächen bewerkstelligen.
  • Sowohl während der Herstellung wie auch für eine Zugentlastung während des Betriebs ist es von Vorteil, wenn die Heizleiterfolie an mindestens einem Verbindungsbereich mechanisch mit dem Träger verbunden ist. Dabei lässt sich eine derartige mechanische Verbindung auf sehr einfache Weise durch das Zusammenwirken von Laschen und Öffnungen realisieren, wobei die Laschen bzw. Nasen sowohl an der Heizleiterfolie wie auch an dem Träger vorgesehen sein können und mit entsprechenden Öffnungen oder Aussparungen zusammenwirken.
  • Um den Kontakt zum Träger besonders stabil zu gestalten und ein Abheben oder Verknicken des Heizleiters zu verhindern, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Heizleiter mittels eines geeigneten Klebers auf den Träger aufgeklebt werden.
  • Verbreitert man den Verbindungsbereich im Vergleich zu den Leiterbahnen in dem Heizbereich, so kann neben einer Erhöhung der mechanischen Beständigkeit auch eine verbesserte Wärmeableitung erreicht werden, da die Leistungsdichte hier verringert wird, und eine Überhitzung kann damit auch an diesen Punkten vermieden werden. Insbesondere an Umlenkbereichen, bei denen der Heizleiter um den Träger herumgeführt wird, kann eine vorteilhafte Aufweitung des Strompfades ohne eine damit einhergehende Erhöhung der Dicke erreicht werden. Eine Überhitzung und eine unzulässige mechanische Belastung der Heizleiterbahnen kann auf diese Weise verhindert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Heizleiterfolie in den Heizbereichen so strukturiert sein, dass durch verschiedene Breiten der Leiterbahnen Zonen mit unterschiedlicher Heizleistung ausgebildet sind.
  • Um den aus der gegebenen Spannung und der gewünschten Heizleistung resultierenden Widerstand des Heizbandes zu erreichen, wird die Heizleiterfolie im Heizbereich vorzugsweise mäanderförmig ausgeführt.
  • Das Material Mikanit (oft auch als Mica oder Glimmer bezeichnet) bietet als Träger den Vorteil sehr guter elektrischer Isolationseigenschaften bei extrem hoher Wärmebeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften. Um den benötigten Träger für das erfindungsgemäße Heizelement herzustellen, kann beispielsweise das Trägermaterial aus einer Plattenlage gestanzt, gelasert oder wasserstrahlgeschnitten werden. Auch die Verwendung mehrerer, übereinander angeordneter Lagen des Trägermaterials ist möglich. Weiterhin bietet Mikanit den Vorteil geringer Wärmeleitfähigkeit, sodass die Wärme ausschließlich in die benötigte Richtung nach außen geleitet wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem erfindungsgemäßen Heizelement weiterhin ein Temperaturfühler zum Erfassen der in dem Heizelement auftretenden Temperatur vorgesehen. Auf diese Weise kann die Leistungszufuhr entsprechend den tatsächlich erreichten Temperaturen geregelt werden. Vorzugsweise verwendet man für einen derartigen Temperaturfühler ein Thermoelement, beispielsweise ein Nickel/Chrom-Nickel-Thermoelement. Selbstverständlich können auch alle anderen üblichen Temperaturfühler eingesetzt werden.
  • Um das Heizelement nach außen zu schützen, kann es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ein wärmeleitfähiges, von dem Heizleiter elektrisch isoliertes Gehäuse aufweisen, das den Träger und den Heizleiter wenigstens teilweise umschließt. Dabei kann entweder das Gehäuse selbst elektrisch isolierend sein oder aber das Heizelement durch isolierende Folien oder Vergussmassen gegenüber dem Gehäuse isoliert ausgeführt sein. Auch das Einsetzen des vorgefertigten, ungehäusten Heizelements in ein kundenseitiges Gehäuse ist möglich.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei werden in den unterschiedlichen beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    ein miniaturisiertes elektrisches Heizelement gemäß einer ersten Aus- führungsform im noch nicht gehäusten Zustand;
    Figur 2
    das Heizelement aus Figur 1 nach dem Einbau in ein Gehäuse;
    Figur 3
    eine Ansicht von oben auf das Heizelement der Figur 2;
    Figur 4
    eine Draufsicht auf eine strukturierte Heizleiterfolie vor der Montage an dem Träger;
    Figur 5
    eine Draufsicht auf den Träger;
    Figur 6
    eine Seitenansicht des Gehäuses;
    Figur 7
    ein Schnittbild durch das Gehäuse der Figuren 6 und 8 entlang der Schnittlinie VII-VII aus Figur 8;
    Figur 8
    eine weitere Seitenansicht des Gehäuses.
  • Mit Bezug auf Figur 1 soll nunmehr das erfindungsgemäße Heizelement, das in dieser Figur zur besseren Übersicht ohne Gehäuse dargestellt ist, im Detail erläutert werden.
  • Das elektrische Heizelement 100 weist dabei zur Erzeugung der benötigten Wärme einen Heizleiter 102 auf, der zum Erzeugen von Wärme von elektrischem Strom durchflossen ist. Erfindungsgemäß wird, wie in der Zusammenschau mit der Figur 4 deutlich wird, der Heizleiter 102 durch eine entsprechend strukturierte Heizleiterfolie gebildet. Wie aus Figur 1 erkennbar, ist der Heizleiter 102 auf einem Träger 104 montiert. Dabei ist der Heizleiter 102 so um den Träger 104 herumgeführt, dass sich auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten des Trägers 104 jeweils ein Heizbereich 106, 107 befindet.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist die Heizleiterfolie 102 in insgesamt vier Bereichen mit dem Träger 104 verbunden. Zum einen sind an der Stirnseite 108 des Trägers 104 Nasen 110 angeformt, die in entsprechende Öffnungen 112 des Heizleiters 102 eingreifen. Durch das Zusammenwirken der Nasen 110 mit den Öffnungen 112 kann zum einen eine mechanische Fixierung des Heizleiters 102 an dem Träger 104 realisiert werden, zum anderen kann auf diese Weise während der Montage eine Positionierungshilfe beim Montieren des gebogenen Heizleiters 102 an den Träger 104 bereitgestellt werden.
  • Weiterhin weist der Heizleiter 102 Laschen 114 auf, die durch entsprechende Aussparungen 116 an dem Träger 104 eingeführt werden können. Diese Form der Verbindung bewirkt zum einen wiederum die mechanische Befestigung des Heizleiters 102 an den Träger 104, ermöglicht aber zum anderen auch eine Zugentlastung gegenüber einem Zug durch die an dem Heizleiter 102 befestigten elektrischen Zuleitungen 118.
  • Diese Zuleitungen 118 können beispielsweise aus einer Kupfer- oder Nickellitze gebildet sein. Weiterhin ist zur Überwachung der an dem Heizelement anliegenden Temperatur ein Thermoelement 120, beispielsweise ein Nickel-Chrom-Nickel-Thermoelement, vorgesehen. Die Auswertung des Signals dieses Thermoelements ermöglicht eine automatische Einstellung der Leistungszufuhr an die Heizleiterfolie 102.
  • Wie aus der Figur 1 erkennbar, ist der Heizbereich 106 der Heizleiterfolie 102 mit mehreren Mäanderschleifen ausgeführt, während der Anschlussbereich 122 mit deutlich breiterem Leiterbahnquerschnitt ausgeführt ist. Wie noch aus Figur 4 deutlich wird, kann auf diese Weise die Leistungsdichte im Anschlussbereich gegenüber der Leistungsdichte in dem Heizbereich reduziert werden, und damit eine Überhitzung verhindert werden.
  • In den Figuren 2 und 3 ist das Heizelement 100 im vollständig gehäusten Zustand, wie es beispielsweise vor dem Einbau in eine Bandschweißmaschine vorliegen könnte, dargestellt. Dabei sind die in Figur 1 gezeigten Komponenten in einem Gehäuse 124 eingebaut, das zum verbesserten Übertragen der Wärme nach außen aus einem gut wärmeleitfähigen Material hergestellt ist. Zum Bereitstellen der benötigten elektrischen Isolation gegenüber dem innenliegenden Heizleiter 102 kann der Heizleiter 102 entweder mit einer isolierenden Folie 126 abgedeckt sein oder aber mit einem isolierenden Material umspritzt sein. Alternativ kann das Gehäuse selbst aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.
  • Figur 4 zeigt die strukturierte Heizleiterfolie 102, bevor sie um den Träger 104 gebogen wird. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die Heizleiterfolie 102 beispielsweise durch einen Ätzvorgang so strukturiert, dass sich eine durchgehende Leiterbahn ergibt, die von dem Anschlussbereich 122 zum Anschlussbereich 123 führt. Dabei durchläuft die Leiterbahn mehrere Heizbereiche 106, 107, die jeweils mäanderförmig ausgeführt sind. Verbindungsbereiche 128 und 130 dienen der Verbindung der Heizleiterfolie 102 mit dem Träger 104.
  • Die Anschlussbereiche 122, 123 können außerdem direkt als Steckerfahnen für die elektrische Kontaktierung ausgebildet sein.
  • In vorteilhafter Weise ist dabei die Breite sowohl der Anschlussbereiche 122, 123 wie auch der Verbindungsbereiche 128, 130 im Vergleich zu der Breite der Mäanderschleifen der Heizbereiche 106, 107 deutlich größer ausgeführt. Auf diese Weise lässt sich die Leistungsdichte in diesen Bereichen gegenüber der Leistungsdichte in den Heizbereichen 106, 107 signifikant verringern, wodurch die mechanische und elektrische Stabilität wie auch die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Heizelements 100 deutlich erhöht werden kann.
  • Die Heizleiterfolie 102 kann aus beliebigem Heizleiter- oder Widerstandsmaterial, wie beispielsweise aus Kanthal A® , hergestellt sein. Wichtig ist bei der Wahl des Materials für den Heizleiter z. B. eine hohe Zunderbeständigkeit bei den auftretenden erhöhten Temperaturen.
  • Die Verbindungsbereiche 128 und 130 dienen der Fixierung der Heizleiterfolie 102 auf dem Träger 104. Zusätzlich kann die Heizleiterfolie 102 auch mittels eines geeigneten Klebers auf den Träger geklebt werden.
  • Der Verbindungsbereich 128 umfasst rechteckförmige Öffnungen 112, die mit zugehörigen Nasen 110 des Trägers 104 zur mechanischen Fixierung und Positionierung bei der Montage zusammenwirken. Der Verbindungsbereich 128 wird dabei auf die Stirnseite 108 des Trägers 104 aufgelegt, um einen Umlenkbereich zu bilden.
  • Dem gegenüber sind die Verbindungsbereiche 130 durch Laschen 114 gebildet, die entsprechend umgebogen werden und in Aussparungen 116 des Trägers eingeführt werden können.
  • Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf den Träger 104. Der Träger kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise aus Mikanit, ein- oder mehrlagig hergestellt werden. Er kann dabei beispielsweise durch Stanzen, Lasern oder Wasserstrahlschneiden geformt werden. Die Nasen 110 und die Aussparungen 116 werden dabei in dem Stanz-, Laser-, oder Wasserstrahlschneidevorgang hergestellt. Öffnungen 132, 133 werden deckungsgleich mit Bohrungen in dem später montierten Gehäuse angelegt und erlauben eine spätere Befestigung des Heizelements 100 an einer Gerätehalterung.
  • In den Abbildungen 6 bis 8 schließlich ist das Gehäuse 124 im Detail gezeigt. Dieses Gehäuse kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise durch ein metallisches Rohr gebildet sein, dass flach gepresst wird und vor der Endmontage des Heizelements stirnseitig verschlossen wird. In diesem Fall ist es erforderlich, den Heizleiter 102 von innen beispielsweise durch eine isolierende Folie gegenüber dem Gehäuse 124 elektrisch zu isolieren.
  • Im Folgenden soll nunmehr die Herstellung des erfindungsgemäßen Heizelements mit Bezug auf die Figuren 1 bis 8 im Detail erläutert werden. Dabei ist anzumerken, dass die Reihenfolge der im Einzelnen beschriebenen Verfahrensschritte selbstverständlich beliebig variiert werden kann.
  • Zunächst werden als Ausgangsmaterialien der Träger 104 und der Heizleiter 102 unabhängig voneinander hergestellt. Dabei kann der Träger ein- oder mehrlagig beispielsweise aus Mikanit durch Stanzen, Lasern oder Wasserstrahlschneiden hergestellt sein.
  • Der Heizleiter 102 wird erfindungsgemäß aus einer Heizleiterfolie hergestellt, wobei dies über verschiedenste Techniken, vorzugsweise aber über einen Ätzschritt erfolgt. Die Strukturierung kann dabei, entsprechend den üblichen Prozessschritten einer Metallisierungsstrukturierung z. B. in der Leiterplattenfertigung, mittels einer Phototechnik durchgeführt werden.
  • Anschließend wird der Heizleiter 102 U-förmig gebogen, so dass später die Heizbereiche 106 jeweils an einer der beiden Oberflächen des Trägers 104 anliegen können. Die Laschen 114 werden ebenfalls gebogen, so umgebogen, dass sie im endgültig montierten Zustand U-förmig um den Träger 104 herumgeführt sind.
  • In einem nächsten Schritt werden der Heizleiter und der Träger zueinander justiert, so dass sich der Verbindungsbereich 128 des Heizleiters 102 an der Stirnseite 108 des Trägers 104 befindet und die Nasen 110 in die Öffnungen 112 eingreifen.
  • Die Laschen 114 werden, um das Einführen in die Aussparungen 116 zu ermöglichen, etwas aufgebogen, durch die Aussparungen 116 hindurchgeführt und anschließen so gebogen, dass sie an dem Träger 104 anliegen.
  • Die Anschlussbereiche 122, 123 werden mit einer Nickellitze als Zuleitung 118 geschweißt. Es können hier aber alle üblichen Methoden der elektrischen Verbindung, wie Löten, Crimpen, Verschrauben und dergleichen sowie andere Litzenmaterialien, wie beispielsweise Kupfer, eingesetzt werden.
  • Optional kann nunmehr ein Thermoelement 120 eingefügt werden. Zur endgültigen Montage wird der Aufbau anschließend von einem Gehäuse 124, das beispielsweise in Form eines flachgepressten Rohres hergestellt werden kann, umhüllt.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Heizelement kann in vorteilhafter Weise in einer miniaturisierten Form realisiert werden und weist ohne Zuleitung beispielsweise Abmessungen von etwa 37 mm x 15 mm x 3,4 mm auf, wobei es in Leistungsbereichen von 24 V und 80 W, d. h. bei Leistungsdichten von mehr als 20 W/cm2 zuverlässig betrieben werden kann. Allerdings sind die erfindungsgemäßen Prinzipien selbstverständlich auch auf größerformatige Heizelemente anwendbar, wie sie z. B. in Toastern, Heizstrahlern oder dergleichen benötigt werden.

Claims (33)

  1. Elektrisches Heizelement mit einem Heizleiter (102), der beim Heizen von elektrischem Strom durchflossen ist, und einem elektrisch isolierenden Träger (104), der mit dem Heizleiter (102) verbunden ist,
    wobei der Heizleiter (102) auf mindestens zwei Oberflächen des Trägers (104) aufgebracht ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Heizleiter (102) durch wenigstens eine strukturierte Heizleiterfolie gebildet ist.
  2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie (102) so strukturiert ist, dass eine durchgehende Leiterbahn mit mindestens einem Heizbereich (106) sowie einem ersten und einem zweiten Anschlussbereich (122, 123) gebildet ist.
  3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn sich in dem mindestens einen Heizbereich (106) von der Breite der Leiterbahn in den Anschlussbereichen (122, 123) unterscheidet.
  4. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter mindestens einen ersten und zweiten Heizbereich (106, 107) aufweist, wobei die Heizbereiche jeweils auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers (104) angeordnet sind.
  5. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie (102) mindestens einen Verbindungsbereich (128, 130) zum mechanischen Fixieren der Heizleiterfolie (102) an dem Träger (104) aufweist.
  6. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbindungsbereich (128, 130) mindestens eine Öffnung (112) aufweist, in die eine an dem Träger angeformte Nase (110) zum Fixieren der Heizleiterfolie eingreift.
  7. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbindungsbereich (128, 130) mindestens eine Lasche (114) aufweist, die zum Fixieren der Heizleiterfolie (102) mit einer an dem Träger (104) vorgesehenen Aussparung (116) zusammenwirkt.
  8. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn sich in den Heizbereichen (106, 107) von der Breite der Leiterbahn in dem mindestens einen Verbindungsbereich (128, 130) unterscheidet.
  9. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn in den Heizbereichen (106, 107) variiert, um Zonen mit unterschiedlicher Heizleistung auszubilden.
  10. Elektrisches Heizelement mindestens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie (102) so gebogen ist, dass sie mit einem vorzugsweise U-förmigen Querschnitt um den Träger (104) geführt ist.
  11. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie (102) mittels Klebung mit dem Träger (104) mechanisch verbunden ist.
  12. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heizbereich (106, 107) mindestens eine Mäanderschleife aufweist.
  13. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (104) durch eine elektrisch isolierende, vorzugsweise aus Mikanit hergestellte Platte gebildet ist.
  14. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Temperaturfühler (120) zum Erfassen der Temperatur aufweist.
  15. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (120) durch ein Thermoelement, vorzugsweise ein Nickel/Chrom-Nickel-Thermoelement, gebildet ist.
  16. Elektrisches Heizelement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein wärmeleitfähiges, von dem Heizleiter (102) elektrisch isoliertes Gehäuse (124) aufweist, das den Träger (104) und den Heizleiter (102) wenigstens teilweise umschließt.
  17. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Heizelements mit einem Heizleiter, der beim Heizen von elektrischem Strom durchflossen ist, und einem elektrisch isolierenden Träger, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    Zurichten des Trägers;
    Strukturieren einer Heizleiterfolie zum Ausbilden des Heizleiters;
    Fixieren der Heizleiterfolie an dem Träger, so dass der Heizleiter auf mindestens zwei Oberflächen des Trägers aufgebracht ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie so strukturiert wird, dass eine durchgehende Leiterbahn mit mindestens einem Heizbereich sowie einem ersten und einem zweiten Anschlussbereich gebildet ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn sich in den Heizbereichen von der Breite der Leiterbahn in den Anschlussbereichen unterscheidet.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, der Heizleiter mindestens einen ersten und zweiten Heizbereich aufweist, wobei die Heizbereiche jeweils auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers angeordnet werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie so gebogen wird, dass sie mit einem vorzugsweise U-förmigen Querschnitt um den Träger geführt ist.
  22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie in mindestens einen Verbindungsbereich mechanisch an dem Träger fixiert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Fixierens der Heizleiterfolie an dem Träger das Einführen mindestens einer an dem Träger angeformten Nase in eine Öffnung der Heizleiterfolie umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Fixierens der Heizleiterfolie an dem Träger weiterhin das Einführen mindestens einer an der Heizleiterfolie angeformten Lasche in eine an dem Träger vorgesehenen Aussparung umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Heizleiterfolie angeformte Lasche vor dem Einführen in die Aussparung des Trägers so umgebogen wird, dass sie im endmontierten Zustand an dem Träger anliegt.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn sich in den Heizbereichen von der Breite der Leiterbahn in dem mindestens einen Verbindungsbereich unterscheidet.
  27. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leiterbahn in dem mindestens einen Heizbereich variiert, um Zonen mit unterschiedlicher Heizleistung auszubilden.
  28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heizbereich mindestens eine Mäanderschleife aufweist.
  29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger durch eine elektrisch isolierende, vorzugsweise aus Mikanit hergestellte Platte gebildet ist.
  30. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterfolie auf den Träger geklebt wird.
  31. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Montierens eines Temperaturfühlers zum Erfassen der Temperatur aufweist.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler durch ein Thermoelement, vorzugsweise ein Nickel/Chrom-Nickel-Thermoelement, gebildet ist.
  33. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Montierens eines wärmeleitfähigen, von dem Heizleiter elektrisch isolierten Gehäuses aufweist, wobei das Gehäuse den Träger mit dem Heizleiter wenigstens teilweise umschließt.
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