November 2011

FormFit™-PTC-Thermistoren für Verdampfer

Energiesparende und zuverlässige Insektenabwehr

In tropischen Regionen übertragen Moskitos mitunter tödliche Krankheitserreger. Eine effektive Abhilfe bieten elektrische Kleingeräte, die Abwehrmittel verdampfen. Deren Herzstück ist ein EPCOS Heizmodul, das mit einem EPCOS FormFit™-PTC-Thermistor als wärmeerzeugendes Element betrieben wird. Damit lässt sich der Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen Heizmodulen um nahezu 50 Prozent reduzieren.

Insektenabwehrgeräte verdampfen flüssige Insektenschutzmittel über ein elektrisches Heizmodul (Abbildung 1). Der Verdampfer besteht aus einem Heizmodul, das den Docht umschließt, der wiederum über den Kapillareffekt die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in die Heizzone transportiert. Die Heizzone gewährleistet eine bestimmte Temperatur, die genau auf die Substanz abgestimmt ist, damit exakt die erforderliche Menge verdampft wird.

Abbildung 1: Insektenschutzmittelverdampfer
Elektrische Verdampfer erhitzen Flüssigkeiten, die die Schädlinge durch deren Geruch fernhalten. Baugleiche Geräte können ebenso für Duftstoffe verwendet werden.

Da die Effektivität der Substanz sehr hoch ist, müssen demnach nur geringe Mengen freigesetzt werden. Dies erfordert, die Temperatur in einem engen Temperaturbereich in der Heizzone sicherzustellen. Es darf weder zu wenig noch zu viel an Flüssigkeit verdampfen. Die Parameter der Heizmodule sind zudem so ausgelegt, dass der Flüssigkeitsvorrat in der Regel 25 bis 30 Tage ausreicht. Die Hersteller dieser Geräte, die als Healthcare-Produkte beworben werden, betreiben einen hohen Prüfaufwand, um die geforderte Temperatur in der Heizzone sicherzustellen.

Um die richtige Verdampfungsrate, die von Substanz zu Substanz variiert, zu erreichen, muss die in der Heizzone abgegebene Wärmemenge genau der Verdampfungsenergie des Insektenschutzmittels entsprechen. Was so einfach klingt, ist in Wirklichkeit die technische Hauptanforderung an die Geräte.

Bei herkömmlichen Heizmodulen muss ein hoher Aufwand in der Endprüfung betrieben werden, um zu kontrollieren, ob die geforderte Temperatur erreicht wird. Der Grund liegt im Aufbau der Heizmodule. In diesen steht nämlich das wärmeerzeugende Bauteil, entweder ein weittolerierter Festwiderstand oder eine PTC-Scheibe, (Abbildung 2) nicht direkt in Kontakt mit dem Docht. Der thermische Widerstand vom wärmeerzeugenden Bauteil zum Docht ist daher zum einen sehr hoch und zum anderen durch sich aufsummierende mechanische Toleranzen nicht genau bestimmt. Deshalb sind Hersteller von Heizmodulen gezwungen, einen sehr hohen Prüfaufwand zu betreiben, um zu kontrollieren, ob die spezifizierte Temperatur in der Heizzone erreicht wird.

Abbildung 2: Aufbau herkömmlicher Insektenschutzmittelverdampfer
Insektenschutzmittelverdampfer mit Festwiderstand (links) und mit PTC-Widerstand (rechts). Mit Festwiderstand lässt sich keine präzise Temperatur am Docht erzielen und die Widerstände können unkontrolliert überhitzen. Trotz seines sichereren Designs entstehen auch beim PTC-basierten Verdampfer signifikante Wärmeverluste durch Luftspalten und unterschiedliche Materialien zwischen Heizelement und Docht.

Sicherheit durch Selbstregulierung

Der erhöhte Prüfaufwand bei den in Abbildung 2 gezeigten Heizmodulen ist zeit- und energieintensiv und damit ein wirtschaftlicher Faktor. Module, die einen Festwiderstand als wärmeerzeugendes Bauteil verwenden, haben einen erheblichen Risikofaktor. Festwiderstände bergen die Gefahr, zu überhitzen und können im schlimmsten Fall einen Brand auslösen. Diesem unkontrollierten Aufheizen kann durch Einsatz von keramischen PTC-Thermistoren entgegengewirkt werden, da diese selbstregulierende Heizelemente sind. Heizmodule mit PTC-Thermistoren weisen somit klare Vorteile gegenüber Heizmodulen mit Festwiderständen auf.

Bauweise mit herkömmlichen PTC-Heizern

Der Aufbau der bisher verfügbaren Systeme ist dahin gehend gleich, da die als Heizquelle dienenden PTC-Thermistoren als Scheiben ausgeführt sind. Durch die herkömmlichen Fertigungsmethoden von PTC Elementen ist die Formgebung auf die Grundgeometrien Scheibe und Rechteck beschränkt. Das von EPCOS entwickelte Keramikspritzgussverfahren hingegen erlaubt eine freie Formgebung. Abbildung 3 zeigt die konventionellen Formen im Vergleich zu dem hufeisenförmigen EPCOS FormFit-PTC-Thermistor, der das Herzstück des Heizmoduls ist.

Abbildung 3: Unterschiedliche Bauformen von EPCOS PTC-Thermistoren
PTC-Elemente wurden bisher nur in Scheiben- oder Plättchenform gefertigt. Zum Vergleich rechts der EPCOS FormFit-PTC in Hufeisenform.

FormFit optimiert den Wärmertransport

Um die schlechte thermische Anbindung des Heizelementes (Abbildung 2) zu kompensieren, und um genügend Verdampfungsenergie dort zur Verfügung zu haben, wo sie benötigt wird, muss demzufolge mehr Heizleistung durch das Heizelement aufgenommen werden. Die typische Leistungsaufnahme konventioneller Heizmodule liegt etwa zwischen 5,3 und 6 W. EPCOS hat ein Heizmodul realisiert, das eine Energieeinsparung von nahezu 50 Prozent sicherstellt. Eine der Grundüberlegungen hierbei war, die Heizleistung dort zu erzeugen, wo sie tatsächlich gebraucht wird, also nahe an der Mittenbohrung des Heizmoduls – das Resultat ist die Form eines Hufeisens. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Heizmodulen umschließt nun der PTC-Thermistor die mittige Bohrung des Moduls zu rund 70 Prozent (Abbildung 3).

Auf diese Weise konnte der thermische Widerstand vom PTC zur Innenseite der Bohrung erheblich verringert und so der Wärmetransport vom PTC zum Docht optimiert werden. Durch die Maßhaltigkeit des Spritzgussverfahrens sind die mechanischen Toleranzen und damit auch die thermischen Übergangswiderstände praktisch gegen Null geführt. Durch diesen Lösungsansatz konnte die Leistungsaufnahme gegenüber herkömmlichen Heizmodulen nahezu halbiert werden. Ein weiterer technischer Vorteil dieser Bauart ist, dass die Endtemperatur des Heizmoduls innerhalb eines sehr engen Temperaturbereiches festliegt. Damit kann eine aufwendige Überprüfung der Temperatur in der Heizzone des Moduls in der Endprüfung entfallen und kann durch eine einfache Widerstandsmessung des Moduls bei Raumtemperatur ersetzt werden.

Tabelle: Technische Daten von zwei beispielhaften Heizmodulen mit EPCOS FormFit-PTC-Thermistoren

Die mechanischen Fixierungen sind standardisiert und können in den meisten verfügbaren Verdampfern als mechanisches Form-Fit-Equivalent eingesetzt werden. Durch das Spritzgussverfahren können EPCOS FormFit-PTC-Thermistoren exakt der jeweiligen Applikation angepasst werden. Parameter wie zum Beispiel Temperatur und Widerstand können ebenfalls kundenspezifisch entwickelt werden.

Ausführung Niedrigtemperatur  Hochtemperatur 
Abmessungen [mm]41,4 x 16,75 x 5,6
Maximale Betriebsspannung VOP [V]265
Nennspannung VR [V]230
Nennwiderstand RR [Ω] bei Ta=25 °C2000
Kerntemperatur TS [°C] bei V = VR162178
Heizleistung P [W] bei 230 V2,93,7

Aufgrund der geringeren thermischen Masse des neu entwickelten Heizmoduls wird das thermische Gleichgewicht wesentlich schneller als bei herkömmlichen Modulen erreicht. In Abbildung 4 ist der Temperatur- und Einschaltstromverlauf über die Zeit dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Endtemperatur des EPCOS FormFit-Heizmoduls bereits erreicht ist, während die Temperatur des Vergleichsmoduls im Hochlauf noch weit hinterherhinkt. Möglich ist dies durch das patentierte Spritzgussverfahren für Funktionskeramiken, das eine beliebige Formgebung gestattet. Mit der FormFit-Technologie lässt sich die Formgebung unmittelbar an die Anwendung anpassen. Das Gehäuse kann in zwei dafür geeigneten Kunststoffen, PBT (Polybutylenterephthalat) und LCP (Liquid Crystalline Polymers), ausgeführt werden. Die Tabelle zeigt die relevanten technischen Daten. 

Abbildung 4: Temperatur- und Einschaltstromverlauf der Heizmodule

Die Endtemperatur des EPCOS FormFit-PTC-Heizmoduls ist bereits nach wenigen Sekunden erreicht. Der Temperaturanstieg des Vergleichsmoduls erfolgt mit deutlicher Verzögerung. Im Dauerbetrieb fließt ein deutlich geringerer Strom, wodurch sich auch eine niedrigere Leistungsaufnahme ergibt.

Anforderungen optimal gelöst

EPCOS FormFit-PTC-Thermistoren, die als Heizmodule für Insektenschutzmittelverdampfer eingesetzt werden, bieten im Vergleich zu herkömmlichen Heizelementen eine Reihe von Vorteilen: Ihre individuelle Formgebung ermöglicht eine größere Fläche, um den Docht zu erwärmen und so Energie einzusparen. Ferner ist der Abstand von der Heizquelle zum Docht geringer, dies führt ebenfalls zu einer verminderten Leistungsaufnahme. Die selbstregulierende Eigenschaft der PTC-Thermistoren verhindert ein unkontrolliertes Überhitzen und sichert darüber hinaus die Einhaltung der erforderlichen Temperatur bei gleichbleibender Genauigkeit und mit hoher Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer des Heizelements.

Die FormFit-Technologie erlaubt eine optimale, Material sparende Formgebung des PTC und in dessen Konsequenz die Verringerung der thermischen Masse. Das Ergebnis: Eine bessere Wärmeleitfähigkeit zum Docht, ein schnelleres Aufheizen und eine signifikante Energieeinsparung.

In den betroffenen tropischen Regionen sind mehrere 100 Millionen dieser Verdampfer im Einsatz. Werden beispielsweise 100 Millionen dieser Geräte mit dem EPCOS Heizmodul eingesetzt, ergibt sich ein Energieeinsparungspotenzial von ca. 250 MW. Die Entwicklung von EPCOS FormFit-PTC-Thermistoren ist somit nicht nur ein wertvoller Beitrag für die Gesundheit, sondern auch zur Einsparung von Energie.

Funktionsweise von PTC-Thermistoren

Als PTC (Positive Temperature Coefficient)-Widerstände, auch PTC-Thermistoren oder Kaltleiter genannt, werden stromleitende Materialien bezeichnet, deren Leitfähigkeit abnimmt je mehr sich die Temperatur erhöht (siehe Abbildung). Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur (R/T-Kurve) eines Keramik-PTC-Thermistors. Es ist deutlich zu erkennen, dass ab einer bestimmten Temperaturschwelle, bezeichnet als Referenztemperatur Tref oder Schalttemperatur, der Widerstandsgradient sprunghaft zunimmt.
Bei den für die Insektenschutzmittelverdampfer verwendeten PTC-Thermistoren handelt es sich um keramische Bauelemente mit Basismaterial Bariumtitanat BaTiO3. Da reines BaTiO3 ein Isolator mit einer Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband von ca. 3 eV ist, muss die Keramik dotiert werden, um die Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband zu schließen. Dadurch entsteht eine höhere Ladungsträgerdichte, also freie Elektronen an den Korngrenzen, und die Keramik wird schon bei niedrigen Temperaturen elektrisch leitfähig.
Bei hohen Temperaturen, jenseits der Referenztemperatur, werden die Leitungselektronen durch die Akzeptorstellen in den korngrenznahen Bereichen „abgesaugt“ und es entsteht eine Sperrschicht, die zum sprunghaften Anstieg des Widerstands führt. Mit verschiedenen Dotierungsstoffen und der Temperaturführung während des Sinterprozesses lässt sich die geforderte Widerstandskennlinie nach anwendungsspezifischen Vorgaben gestalten.

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