EP3737207A1 - Heizanordnung - Google Patents

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EP3737207A1
EP3737207A1 EP19173944.0A EP19173944A EP3737207A1 EP 3737207 A1 EP3737207 A1 EP 3737207A1 EP 19173944 A EP19173944 A EP 19173944A EP 3737207 A1 EP3737207 A1 EP 3737207A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating
flat
heated
heating element
component
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Withdrawn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
EP19173944.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Kirsammer
Benjamin Schmidt
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP19173944.0A priority Critical patent/EP3737207A1/de
Publication of EP3737207A1 publication Critical patent/EP3737207A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H05B3/262—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 insulated metal plate
    • 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
    • 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
    • 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
    • H05B2203/007—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple electrically connected resistive elements or resistive zones

Definitions

  • the invention relates to a heating arrangement with a heating element which lies flat against a component to be heated.
  • the influence of the ambient temperature on the measurement or analysis result can be prevented by means of a defined temperature control of the structure.
  • heating devices are also used when the gas to be analyzed contains moisture and condensation in the device is to be prevented.
  • gas analyzers with gas sensors, in particular based on semiconductor metal oxides, which have to be heated in order to be able to measure meaningfully at all.
  • Gas chromatographs often require heating of the separation column in order to achieve the desired separation properties, or the sample to be analyzed is a liquid that has to be evaporated before it enters the separation column.
  • the entire device can be heated, for example, by means of a circulating air heater, or the temperature is only controlled at the points where this is necessary in order to keep the overall heat supply small.
  • the structures to be heated are geometrically complex and the available space is very limited, so that either heating elements in expensive custom-made products are required or heating elements in the form of point-like or concentrated heat sources have to be used.
  • the invention is therefore based on the object of enabling targeted and individual temperature control or heating of components, in particular of components of measuring and analysis devices, with simple means and using generally available standard components.
  • the subject of the invention is thus a heating arrangement with a flat heating element and a component to be heated, the flat heating element consisting of a metal core or IMS circuit board, in which a metal core or substrate with an insulating layer in between carries a copper layer, the copper layer at least in some areas is designed as a heating conductor track and the flat heating element with the metal core or substrate is mounted flat against the component to be heated, adjacent to the latter.
  • Metal core or IMS circuit boards are usually made up of an aluminum or copper carrier forming the metal core or the metal substrate, an insulation layer and a thin copper foil and are usually used to cool electronic power components or circuits that mounted on the IMS circuit board.
  • metal core or IMS circuit boards are used according to the invention in order to generate heat through a power drop across the resistance of a conductor track and to dissipate it to the component to be heated.
  • the heating conductor track can be designed in a meandering shape, wherein it covers a predetermined area.
  • the heating output can be easily adapted to the existing conditions, with the achievable power density being very high. Even on small elements of e.g. B. 20 mm x 40 mm, conductor lengths of over a meter can be realized, which results in a resistance of approx. 5 ohms with a conductor path width of 0.15 mm.
  • the heating power can be individually distributed over the area via the conductor track density, distribution and widths, in order to e.g. B. to achieve symmetrical temperature profiles or targeted local heating.
  • the heating conductor track can also be designed in the form of two or more separate heating circuits. It is also possible for two or more heating elements to be mounted at different points on a component to be heated.
  • the heating elements according to the invention are suitable up to about 100 ° C. In the case of special solutions with a ceramic dielectric between the metal substrate and the copper layer, higher temperatures can also be reached.
  • the heating elements according to the invention are very flat (typically between 0.5 mm and 1.5 mm) and thus save space. They can be installed using simple screw connections through boreholes in the heating elements, and countersinks for countersunk screws can also be easily implemented for particularly flat installation. In order to enable optimal heat transfer between the heating elements and the components to be heated, the heating elements can be mounted on the components to be heated with the interposition of a thermal paste.
  • the outer contours of the flat heating elements can be adapted to those of the components to be heated; they can rest flat or possibly curved flat on the respective components.
  • the power supply of the heating circuit or the heating circuits can be via regular plugs or couplings, e.g. B. in the form of SMD components on the copper layer.
  • the heating elements on the side with the copper layer can also be equipped with active elements such as LEDs for function control and / or temperature sensors for cost-saving implementation of temperature control.
  • Fig. 1 shows an example of a flat heating element 1 based on an IMS printed circuit board 2 with a copper layer which is designed as a heating conductor track 3.
  • the heating conductor 3 runs in a meandering shape over almost the entire surface of the heating element 1 and ends in two contact surfaces 4, 5 for soldering on power supply lines, not shown here. There are also contact surfaces 6 for soldering an SMD connector, also not shown.
  • the IMS circuit board 2 contains two bores for mounting the heating element 1 on a component to be heated.
  • Fig. 2 shows an example of the basic layer structure of the IMS circuit board 2 with a metal core (metal substrate) 9, for example made of aluminum or copper, which bears the copper layer 11 with an insulating layer 10 in between.
  • a metal core metal substrate 9
  • insulating layer 10 in between.
  • Fig. 3 shows an example of the heating arrangement according to the invention, wherein at different points of a component to be heated 12, here z.
  • the external dimensions and design of the external contours of the two flat heating elements 13, 14 are adapted to the respective heating task and the component 12 to be heated.
  • Fig. 4 shows examples of planar heating elements 18 with different external dimensions and designs of the external contours.
  • Fig. 5 shows another example of a flat heating element 19 with boreholes 7, 8 for assembly, a meandering heating conductor track 3, contact surfaces 6 for soldering an SMD connector, a pick-up coil 20 for detecting an external magnetic field.
  • a pole piece (not shown here) can be passed through a recess 21 in the heating element as part of a transformer magnetic circuit, the transmission rate being defined by the number of turns of the pick-up coil 20.

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Bei einer Heizanordnung mit einem flächigen Heizelement (1) und einem zu erwärmenden Bauteil (12) besteht das flächige Heizelement (1) aus einer Metallkern- oder IMS-Leiterplatte (Insulated Metallic Substrate), bei der ein Metallkern oder -substrat unter Zwischenlage einer Isolierschicht eine Kupferschicht trägt und die Kupferschicht als Heiz-Leiterbahn ausgebildet ist. Das flächige Heizelement (1) ist mit dem Metallkern oder -substrat flächig an dem zu erwärmenden Bauteil (12) anliegend an diesem montiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung mit einem Heizelement, das flächig an einem zu erwärmenden Bauteil anliegt.
  • Bei vielen Mess- und Analysengeräten lässt sich durch eine definierte Temperierung des Aufbaus der Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Mess- oder Analysenergebnis verhindern. In der Gasanalytik kommen Heizvorrichtungen auch dann zum Einsatz, wenn das zu analysierende Gas Feuchtigkeit enthält und ein Auskondensieren in dem Gerät verhindert werden soll. Es gibt auch Gasanalysatoren mit Gassensoren, insbesondere auf der Basis von Halbleitermetalloxiden, die beheizt werden müssen, um überhaupt sinnvoll messen zu können. Bei Gaschromatographen ist oft eine Erwärmung der Trennsäule erforderlich, um die gewünschten Trenneigenschaften zu erreichen, oder die zu analysierende Probe ist eine Flüssigkeit, die verdampft werden muss, bevor sie in die Trennsäule gelangt.
  • In den genannten Fällen kann das gesamte Gerät beispielsweise mittels einer Umluftheizung beheizt werden, oder die Temperierung erfolgt nur an den Stellen, wo dies erforderlich ist, um so die Gesamtwärmezufuhr klein zu halten. Oft sind dabei die zu beheizenden Strukturen geometrisch komplex und der vorhandene Platzbedarf stark eingeschränkt, so dass entweder Heizelemente in teuren Sonderanfertigungen erforderlich sind oder auf Heizelemente in Form von punktförmigen bzw. konzentrierten Wärmequellen zurückgegriffen werden muss.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und unter Verwendung von allgemein verfügbaren Standardkomponenten eine gezielte und individuelle Temperierung bzw. Beheizung von Bauteilen, insbesondere in von Bauteilen von Mess- und Analysengeräten, zu ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 definierte Heizanordnung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
  • Gegenstand der Erfindung ist somit eine Heizanordnung mit einem flächigen Heizelement und einem zu erwärmenden Bauteil, wobei das flächige Heizelement aus einer Metallkern- oder IMS-Leiterplatte besteht, bei der ein Metallkern oder -substrat unter Zwischenlage einer Isolierschicht eine Kupferschicht trägt, die Kupferschicht zumindest bereichsweise als Heiz-Leiterbahn ausgebildet ist und das flächige Heizelement mit dem Metallkern oder -substrat flächig an dem zu erwärmenden Bauteil anliegend an diesem montiert ist.
  • Metallkern- oder IMS-Leiterplatten (Insulated Metallic Substrate) sind in der Regel aus einem den Metallkern bzw. das Metallsubstrat bildenden Aluminium- oder Kupferträger, einer Isolationsschicht und einer dünnen Kupferfolie aufgebaut und werden üblicherweise zur Entwärmung von elektronischen Leistungsbauelementen oder -schaltkreisen verwendet, die auf der IMS-Leiterplatte montiert werden.
  • Anstatt Wärme aus Bauteilen an einen Kühlkörper abzuführen, werden gemäß der Erfindung Metallkern- oder IMS-Leiterplatten benutzt, um Wärme durch einen Leistungsabfall über den Widerstand einer Leiterbahn zu erzeugen und an das zu beheizende Bauteil abzuführen.
  • Die Heiz-Leiterbahn kann mäanderförmig ausgebildet sein, wobei sie eine vorbestimmte Fläche abdeckt.
  • Die Heizleistung lässt sich einfach an die vorhandenen Bedingungen anpassen, wobei die erreichbare Leistungsdichte sehr hoch ist. Schon auf kleinen Elementen von z. B. 20 mm x 40 mm lassen sich Leiterbahnlängen von über einem Meter realisieren, was bei einer Leiterbahnbreite von 0,15 mm in einem Widerstand von ca. 5 Ohm resultiert.
  • Die Heizleistung lässt sich über die Leiterbahndichte, -verteilung und -breiten in der Fläche individuell verteilen, um z. B. symmetrische Temperaturprofile oder eine gezielte lokale Erwärmung zu erreichen. Auch kann bei einem einzelnen Heizelement die Heiz-Leiterbahn in Form von zwei oder mehr getrennten Heizkreisen ausgebildet sein. Es können auch zwei oder mehr Heizelemente an unterschiedlichen Stellen eines zu beheizenden Bauelements montiert sein. Bei Verwendung von im Standardprozess des Herstellers gefertigten IMS-Leiterplatten eignen sich die erfindungsgemäßen Heizelemente bis etwa 100 °C. Bei Sonderlösungen mit keramischem Dielektrikum zwischen Metallsubstrat und Kupferschicht können auch höhere Temperaturen erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäßen Heizelemente sind sehr flach (typischerweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm) und damit platzsparend. Ihre Montage kann über einfache Schraubverbindungen durch Bohrlöcher in den Heizelementen erfolgen, wobei sich auch Senkungen für Senkschrauben für eine besonders flache Montage einfach realisieren lassen. Um einen optimalen Wärmeübergang zwischen den Heizelementen und den jeweils zu erwärmenden Bauteilen zu ermöglichen, können die Heizelemente unter Zwischenfügung einer Wärmeleitpaste an die zu erwärmenden Bauteile montiert sein.
  • Die Außenkonturen der flächigen Heizelemente können an die der zu erwärmenden Bauteile angepasst sein; sie können eben flächig oder ggf. gekrümmt flächig an den jeweiligen Bauelementen anliegen.
  • Die Stromversorgung des Heizkreises oder der Heizkreise kann über reguläre Stecker oder Kupplungen, z. B. in Form von SMD-Bauteilen auf der Kupferschicht, erfolgen. Auch können die Heizelemente auf der Seite mit der Kupferschicht mit aktiven Elementen wie LEDs zur Funktionskontrolle und/oder Temperatursensoren zur kostensparenden Realisierung einer Temperaturregelung bestückt werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen:
    • Fig. 1
    ein Beispiel für das flächige Heizelement auf Basis einer IMS-Leiterplatte,
    Fig. 2
    ein Beispiel für den Lagenaufbau einer IMS-Leiterplatte,
    Fig. 3
    ein Beispiel für die erfindungsgemäße Heizanordnung,
    Fig. 4
    unterschiedliche Beispiele für das flächige Heizelement und
    Fig. 5
    ein weiteres Beispiel für das flächige Heizelement.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft ein flächiges Heizelement 1 auf Basis einer IMS-Leiterplatte 2 mit einer Kupferschicht, die als Heiz-Leiterbahn 3 ausgebildet ist. Die Heiz-Leiterbahn 3 verläuft mäanderförmig über nahezu die gesamte Fläche des Heizelements 1 und endet in zwei Kontaktflächen 4, 5 zum Anlöten von hier nicht gezeigten Stromversorgungsleitungen. Es sind ferner Kontaktflächen 6 zum Auflöten eines ebenfalls nicht gezeigten SMD-Steckverbinders vorhanden. Die IMS-Leiterplatte 2 enthält zwei Bohrungen zur Montage des Heizelements 1 an ein zu erwärmendes Bauteil.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft der prinzipiellen Lagenaufbau der IMS-Leiterplatte 2 mit einem Metallkern (Metallsubstrat) 9 beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, der unter Zwischenlage einer Isolierschicht 10 die Kupferschicht 11 trägt.
  • Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Heizanordnung, wobei an unterschiedlichen Stellen eines zu erwärmenden Bauteils 12, hier z. B. einer Analysenkammer eines Gasanalysators, zwei flächige Heizelemente 13, 14 unter Zwischenfügung einer Wärmeleitpaste 15 montiert sind. Die Montage erfolgt mittels Schrauben 16, 17 durch die in Fig. 1 gezeigten Bohrlöcher. Die Außenabmessungen und Gestaltung der Außenkonturen der beiden flächigen Heizelemente 13, 14 sind an die jeweilige Heizaufgabe und das zu erwärmende Bauteil 12 angepasst.
  • Fig. 4 zeigt Beispiele für flächige Heizelemente 18 mit unterschiedlichen Außenabmessungen und Gestaltungen der Außenkonturen.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines flächigen Heizelements 19 mit Bohrlöchern 7, 8 für die Montage, einer mäanderförmigen Heiz-Leiterbahn 3, Kontaktflächen 6 zum Auflöten eines SMD-Steckverbinders, einer Pick-up Spule 20 zur Erfassung eines externen Magnetfeldes. Bei dem gezeigten Beispiel kann ein hier nicht gezeigter Polschuh als Teil eines transformatorischen Magnetkreises durch eine Aussparung 21 in dem Heizelement hindurchgeführt werden, wobei über die Windungszahl der Pick-up Spule 20 das Übertragungsmaß definiert ist.

Claims (7)

  1. Heizanordnung mit einem flächigen Heizelement (1) und einem zu erwärmenden Bauteil (12), wobei das flächige Heizelement (1) aus einer Metallkern- oder IMS-Leiterplatte (Insulated Metallic Substrate) (2) besteht, bei der ein Metallkern oder -substrat (9) unter Zwischenlage einer Isolierschicht (10) eine Kupferschicht (11) trägt, die Kupferschicht (11) zumindest bereichsweise als Heiz-Leiterbahn (3) ausgebildet ist und das flächige Heizelement (1) mit dem Metallkern oder -substrat (9) flächig an dem zu erwärmenden Bauteil (12) anliegend an diesem montiert ist.
  2. Heizanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Heizelement (1) mindestens ein Bohrloch (7, 8) enthält, durch das es an dem zu erwärmenden Bauteil (12) angeschraubt ist.
  3. Heizanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Heizelement (1) unter Zwischenfügung einer Wärmeleitpaste (6) an dem zu erwärmenden Bauteil (12) montiert ist.
  4. Heizanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des flächigen Heizelements (1) an die des zu erwärmenden Bauteils (12) angepasst ist.
  5. Heizanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Leiterbahn (3) mäanderförmig ausgebildet ist und eine vorbestimmte Fläche abdeckt.
  6. Heizanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz-Leiterbahn (3) in Form mindestens zweier Heizkreise ausgebildet ist.
  7. Heizanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kupferschicht (11) mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist.
EP19173944.0A 2019-05-10 2019-05-10 Heizanordnung Withdrawn EP3737207A1 (de)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5155800A (en) * 1991-02-27 1992-10-13 Process Technology Inc. Panel heater assembly for use in a corrosive environment and method of manufacturing the heater
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