Einsatz fast ohne Grenzen

Heiztechnik auf Basis von PTC (Positive Temperature Coefficient) hat einen wesentlichen Vorteil: Aufgrund des nicht-linearen Widerstandsverlaufs regelt sich die Temperatur selbst. Bei sinkenden Temperaturen verringert sich der Widerstand und der Strom wird besser durchgelassen. Umgekehrt steigt der Widerstand bei zunehmender Temperatur, das Kaltleiter-Heizelement „regelt sich ab“. Anders als etwa bei Heißleitern mit negativem Temperaturkoeffizienten wie etwa Rohrheizkörpern ist ein Überhitzen ausgeschlossen. Je nachdem, welche Temperatur erreicht werden soll, fällt das Element größer beziehungsweise kleiner aus. Ein zusätzlicher Regler ist deshalb nicht erforderlich. Das reduziert Kosten, zudem sind die in sich geschlossenen und kompakten PTC-Heizelemente auch weniger störanfällig.

„Bei der PTC-Heiztechnik sind zwar Heizleistung und Temperaturen niedriger als bei Heißleitern – die Oberflächentemperaturen liegen zwischen 70 bis 220 Grad Celsius –, dafür sind sie prozesssicherer und brennen nicht durch“, weiß Dr. Manfred Stoll, Technischer Geschäftsführer der Eichenauer Heizelemente GmbH & Co. KG, aus zahlreichen Anwendungen. Gerade in Industrieapplikationen wie an Maschinen und Anlagen, aber auch im Automobil bestehe dadurch keine Überhitzungsgefahr.

Der Bedarf an PTC-Heizelementen ist groß, denn das Anwendungsspektrum ist breit gefächert. „Gerade für Industrieanwendungen entwickeln wir die Heizelemente speziell nach Kundenanforderungen, hier gibt es kein Heizelement von der Stange“, betont Manfred Stoll. Einsatzgebiete von PTC finden sich beispielsweise in Überwachungskameras, Schaltschrankbeheizungen, bei der Ölvorwärmung, in Ultraschallbädern, in Inkubatoren, als Sicherungselemente im Überstromschutz, im Übertemperaturschutz sowie auch als selbstregelnde Schaltelemente.

Prinzipiell besteht ein PTC-Heizelement aus einem oder mehreren Keramikpellets. Diese sind möglichst flach ausgeführt und beschichtet, damit ein besserer Kontakt über die Fläche stattfindet. Abhängig vom Verwendungszweck werden die Pellets in unterschiedliche Aluminiumprofile gepresst. Wichtig dabei: der großflächige Kontakt zwischen PTC-Keramik und Aluminium, um einen optimalen Wärmeabfluss zu erreichen. „Ein PTC funktioniert dann optimal, wenn die Wärme gut abgeleitet wird, weil sonst permanent der Selbstregeleffekt greift“, erläutert der Geschäftsführer.

Um ein geschlossenes System zu erhalten, wird oft um das Aluminium eine Edelstahlhülse gelegt. Aber auch das Einbringen in Kunststoffrohre ist durchaus üblich. Die Heizelemente sind sehr flexibel von der Auslegung her. Der Geometrie der Heizung sind keine Grenzen gesetzt. Alle Formen, die sich mittels Aluminiumstrang- und Druckguss fertigen lassen, können mit PTCs beheizt werden. Dadurch ist die Varianz im Industrieumfeld extrem groß. Für große zu beheizende Flächen werden jedoch meist mehrere PTCs genutzt. So kommt man sehr nah an die Stellen heran, wo die Heizwärme tatsächlich benötigt wird. Ein Beispiel hierfür ist die Warmhaltung bei Ceran-Kochfeldern.

Um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten, müssen PTC und Aluminiumhülle möglichst optimal verbunden werden. Diese Verbindung muss zehn Jahre und länger halten, so fordern es heute die Kunden. Mehrere Verfahren werden dazu verwendet: Klemmen, Kleben, Löten und Verpressen. „Insbesondere in Kraftfahrzeugen sind die Bauteile unterschiedlicher Wärmeausdehnung ausgesetzt und werden zudem ständig durchgerüttelt. Hier sind Kleben und Klemmen keine optimalen Verfahren für uns“, meint Manfred Stoll. Eichenauer bevorzugt deshalb die Verpressung, ein Verfahren, das im Hause entwickelt wurde und wofür Patente angemeldet wurden. „Durch unser Pressverfahren stellen wir sicher, dass die Heizleistung über die gesamte Lebensdauer nicht nachlässt. Löten und Kleben sind im Vergleich dazu nachteilige Verfahren: Der Werkstoff löst sich irgendwann aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten zum Trägermaterial“, so Manfred Stoll.

Ein breites Anwendungsgebiet von PTC-Heiztechnik stellen Personen- und Nutzfahrzeuge dar. Dort erwärmt man mit PTC-Heizelementen beispielsweise alle Arten von Flüssigkeiten, ob Waschwasser, Kraftstoffe, Motoröl oder harnstoffwässrige Lösung für die Stickoxidreduktion von Abgasen. Bei diesen Anwendungen kommt besonders der Vorteil zum Tragen, dass durch die Eigenregelung des PTC eine einfache Ansteuerung möglich ist und keine zusätzlichen Temperatursensoren notwendig sind. Dies hilft zudem, potenzielle Fehlerquellen auszuschließen.

Ein wesentlicher Vorteil in der von Eichenauer angewandten Bauweise ist der Einsatz des PTC direkt in Flüssigkeiten. Normalerweise verwendet man für Flüssigkeiten geschlossene Heizelemente, wie zum Beispiel Rohrheizkörper – vor allem dann, wenn es sich um leitende Flüssigkeiten wie Wasser handelt. „Bei nicht leitenden Flüssigkeiten, wie zum Beispiel bei Dieselkraftstoff, bietet sich die Möglichkeit, die PTC-Heizung nach dem Prinzip eines Durchflusserhitzers zu gestalten. Hier überströmt die Flüssigkeit direkt die PTC-Keramik, was eine optimale Wärmeübertragung ermöglicht“, erklärt Geschäftsführer Stoll.

Eines der jüngsten Beispiele aus dem Automotive-Bereich ist die Entwicklung eines Zuheizers für SCR-Filtersysteme (Selective Catalytic Reduction) der Abgasnachbehandlung in Dieselfahrzeugen. Mittels SCR-Technik lassen sich die geforderten Abgaswerte hinsichtlich Stickoxiden von Dieselmotoren erreichen. Das Grundprinzip der SCR-Technik: Eine harnstoffwässrige Lösung (HWL, Handelsname beispielsweise AdBlue) wird gezielt in den Abgasstrom vor dem Katalysator eindosiert. Damit die HWL auch bei Minustemperaturen unter -11 °C verfügbar ist, wird sie zum Halten der Betriebstemperatur beheizt. Außerdem muss die HWL, welche sich während des Stillstands der Fahrzeuge bei entsprechenden Temperaturen in den Komponenten des SCR-Systems befindet, erwärmt und aufgetaut werden. Das entsprechende PTC-Bauteil ist direkt in das Filtergehäuse integriert.

Dr. Detlef Sandern Journalist in Stuttgart

Zuheizen reduziert Stickoxide in Abgasen

Das Akronym PTC steht für „Positive Temperature Coefficient“, also positiver Temperaturkoeffizient. Die so genannten Kaltleiter-Heizelemente bestehen meistens aus dotierter polykristalliner Keramik, basierend auf Bariumtitanat. Die Keramikkörper – in Scheiben-, Stab- oder Rohrform gepresst – werden in Metall gekapselt. Dafür hat die Eichenauer Heizelemente GmbH & Co. KG ein eigenes, patentiertes Verfahren entwickelt.

Prinzipiell besteht ein PTC-Heizelement aus einem oder mehreren Keramikpellets. Diese sind möglichst flach ausgeführt und beschichtet, damit ein besserer Kontakt über die Fläche stattfindet. Abhängig vom Verwendungszweck werden die Pellets in unterschiedliche Aluminiumprofile gepresst. Um ein geschlossenes System zu erhalten, wird oft um das Aluminium eine Edelstahlhülse gelegt. Aber auch das Einbringen in Kunststoffrohre ist durchaus üblich. Die Heizelemente sind sehr flexibel von der Auslegung her. Der Geometrie der Heizung sind keine Grenzen gesetzt. Alle Formen, die sich mittels Aluminiumstrang- und Druckguss fertigen lassen, können mit PTCs beheizt werden. Dadurch ist die Varianz im Industrieumfeld extrem groß.

Die relativ einfache und störungsresistente PTC-Technologie gibt elektrische Widerstandswärme ab. Die Temperatur-Selbstregelung dieser Kaltleiter-Heizelemente macht eine externe Regelung in Geräten überflüssig, was sich positiv auf die Kosten auswirkt.