DE69534857T2

DE69534857T2 - Polymeres widerstandsheizelement

Info

Publication number: DE69534857T2
Application number: DE69534857T
Authority: DE
Inventors: M. Charles Dallas ECKMAN
Original assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Current assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2015-12-29
Also published as: MY112610A; IL116482A; RU2171550C2; BR9510311A; TR199501686A2; EP0800752B1; CZ9702009A3; ES2259793T3; SK284357B6; SK85797A3; PL321070A1; HK1003926A1; PL178722B1; WO1996021336A1; AR000608A1; CA2208076A1; HUT77783A; NZ300836A; ZA9510741B; TW452313U

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Widerstandsheizelemente und insbesondere Widerstandsheizelemente auf Polymerbasis zum Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten.
Allgemeiner Stand der Technik
In Verbindung mit Wassererhitzern verwendete elektrische Heizwiderstandselemente sind traditionellerweise aus Metall- und Keramikkomponenten hergestellt worden. Eine typische Konstruktion enthält ein Paar Anschlußstifte, die an die Enden eine Ni-Cr-Spule hartgelötet sind, die dann axial durch eine U-förmige röhrenförmige Metallhülle angeordnet wird. Die Widerstandsspule ist von der Metallhülle durch ein pulverförmiges Keramikmaterial isoliert, üblicherweise Magnesiumoxid.
Wenngleich derartige herkömmliche Heizelemente seit Jahrzehnten das Arbeitspferd für die Wassererhitzerindustrie gewesen ist, gibt es eine Reihe von weitbekannten Mängeln. Beispielsweise können galvanische Ströme, die zwischen der Metallhülle und etwaigen exponierten Metalloberflächen im Tank auftreten, eine Korrosion der verschiedenen Anodenmetallkomponenten des Systems erzeugen. Die Metallhülle des Heizelements, bei dem es sich in der Regel um Kupfer oder eine Kupferlegierung handelt, zieht auch Kalkablagerungen aus dem Wasser an, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Heizelements führen kann. Außerdem ist mit dem Anstieg des Kupferpreises über die Jahre der Einsatz von Messingfittings und Kupferröhren immer teurer geworden.
Als Alternative zu Metallelementen wurde mindestens ein elektrisches Kunststoffhüllen-Heizelement in Cunningham, US-Patent Nr. 3,943,328, vorgeschlagen. Bei der offenbarten Einrichtung werden herkömmlicher Widerstandsdraht und pulverförmiges Magnesiumoxid in Verbindung mit einer Kunststoffhülle verwendet. Da diese Kunststoffhülle nichtleitend ist, wird mit den anderen Metallteilen der Heizeinheit in Kontakt mit dem Wasser im Tank keine galvanische Zelle erzeugt, und es gibt auch keine Kalkablagerungen. Aus verschiedenen Gründen waren diese Kunststoffhüllen-Heizelemente leider nicht in der Lage, über eine normale Nutzlebensdauer hinweg hohe Nennbelastbarkeiten zu erzielen und fanden, was damit einhergeht, keine große Akzeptanz.
Aus DE 38 36 387 ist eine plattenförmige PTFE-Heizeinrichtung zum Eintauchen in aggressive Flüssigkeiten bekannt, die einen plattenförmigen Heizkörper und ein Heizelement enthält.
Aus US 4,272,673 ist ein Heizelement bekannt, das aus einem geformten elektrisch isolierenden Substrat besteht, wobei das Substrat einen verstärkten Polyimid-Verbundwerkstoff und ein kontinuierliches elektrisches Widerstandselement enthält, das mit einer wärmestabilen elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet ist.
Aus DE 35 12 659 ist ein Heizelement bekannt, das aus einem Zylinder aus Polyimidharz mit einer spiralförmigen Spule aus lackierten elektrischen Widerstandsdrähten besteht, die zwischen reflektierenden und elektrisch isolierenden Prepolymerschichten komprimiert sind.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt elektrische Widerstandsheizelemente und solche Elemente enthaltende Wassererhitzer bereit. Das bevorzugte Element enthält ein elektrisch leitendes Widerstandsheizmaterial mit einem Paar freier Enden, welche mit einem Paar Anschlußendaufnehmungen verbunden sind. Das Widerstandsheizmaterial ist innerhalb einer integralen Schicht aus einem polymeren Material hermetisch isoliert. Das Widerstandsmaterial und die Polymerschicht bilden zusammen das Herz eines neuartigen Heizelements, das eine Widerstandsheizung bereitstellt, die ausreicht, um eine Wassermenge auf eine Temperatur von mindestens etwa 48,9°C (120°F) zu erhitzen, ohne die Polymerschicht zu schmelzen.
Die Heizelemente der vorliegenden Erfindung eignen sich am besten für die Aufgabe, Heißwasser zur Verwendung im kommerziellen und Heimbereich zu erhitzen. Sie sind dafür ausgelegt, mindestens etwa 100–1200 W zum Erhitzen eines gasförmigen Fluidmediums und etwa 1000 bis etwa 6000 Watt („W") und bevorzugt etwa 1700–4500 W zum Erhitzen eines flüssigen Fluidmediums zu erzeugen. Diese Leistung wird ohne Beschädigung der Polymerbeschichtung oder des Speichertanks beispielsweise eines Wassererhitzers selbst für den Fall erzeugt, daß der Tank aus Kunststoff besteht. Wenngleich die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Theorie beschränkt ist, wird angenommen, daß der Kühleffekt des Fluidmediums, bei dem es sich um Öl, Luft oder Wasser handeln kann, die polymere Schicht unter ihrem Schmelzpunkt hält, wodurch sie Konvektionswärme ohne zu schmelzen von dem Widerstandsheizmaterial aus übertragen kann.
Für das effektive Erhitzen von Wasser auf Nutztemperaturen von etwa 48,9°C–82,2°C (120°–180°F) sollte die Polymerbeschichtung so dünn wie möglich sein, bevorzugt weniger als 1,27 cm (0,5 Inch) und im Idealfall weniger als etwa 0,254 cm (0,1 Inch). Dadurch kann die Beschichtung eine hermetische Abdichtung gegen elektrische Kurzschlüsse bilden, ohne so viel Masse bereitzustellen, daß die Effizienz der Wärmeleitung des Elements beeinträchtigt wird. Die Polymerbeschichtung sollte gleichförmig und im wesentlichen blasenfrei sein, um das Auftreten von heißen Stellen entlang des Elements zu vermeiden, die zu dem vorzeitigen Ausfall in flüssigen Umgebungen führen könnten.
In einer detaillierteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Widerstandsheizelement zur Verwendung beim Erhitzen eines Fluidmediums bereitgestellt. Das Heizelement enthält eine schraubenförmige Spule aus einem gefalteten Widerstandsdraht mit einem Paar freier Endaufnehmungen. Die schraubenförmige Spule ist in einem Hochtemperaturpolymer hermetisch verkapselt. Das Element weist eine Rohrform mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende auf. Das geschlossene Ende umfaßt einen mit einem Gewinde versehenen Verbindungsflansch und mindestens ein Paar Leiter, die mit den freien Enden des Widerstandsdrahts verbunden sind und sich von dem mit einem Gewinde versehenen Verbindungsflansch aus dem Element heraus erstrecken zum Verbinden mit einer Quelle elektrischer Leistung. Das Heizelement enthält weiterhin eine Hochtemperaturabschalteinrichtung, die beim Überhitzen, beim Schmelzen des Polymers oder beim Auftreten eines elektrischen Kurzschlusses die durch das Element fließende elektrische Energie unterbrechen kann.
Eine kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie andere die Offenbarung betreffenden Informationen. Es zeigen:
1: eine Perspektivansicht eines bevorzugten polymeren Fluidheizgeräts in der vorliegenden Erfindung;
2: eine Draufsicht auf die linke Seite des polymeren Fluidheizgeräts von 1;
3: eine planare Vorderansicht, einschließlich einer Teilquerschnitts- und abgelösten Ansicht, des polymeren Fluidheizgeräts von 1;
4: eine vordere planare Querschnittsansicht, eine bevorzugten inneren Formabschnitts des polymeren Fluidheizgeräts von 1;
5: eine vordere planare Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer bevorzugten Anschlußbaugruppe für das polymere Fluidheizgerät von 1;
6: eine vergrößerte teilweise vordere planare Ansicht des Endes einer bevorzugten Spule für ein polymeres Fluidheizgerät der vorliegenden Erfindung; und
7: eine vergrößerte teilweise vordere planare Ansicht einer Doppelspulenausführungsform für ein polymeres Fluidheizgerät der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt elektrische Heizwiderstandselemente und diese Elemente enthaltende Wasserheizgeräte bereit. Diese Einrichtungen eignen sich beim Minimieren galvanischer Korrosion innerhalb Wasser- und Ölheizgeräte sowie der Kalkablagerung und Problemen mit einer verkürzten Elementlebensdauer. Die Ausdrücke „Fluid" und „Fluidmedium", wie sie hier verwendet werden, gelten sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und teilweise unter Bezugnahme auf die 1–3 davon wird ein bevorzugtes polymeres Fluidheizgerät 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das polymere Fluidheizgerät 100 enthält ein elektrisch leitendes Heizwiderstandsmaterial. Dieses Heizwiderstandsmaterial kann in Form eines Drahtes, Gitters, Bandes oder in Schlangenform vorliegen (als Beispiel). Bei den bevorzugtem Heizgerät 100 ist eine Spule 14 mit einem Paar freier Enden, die mit einem Paar von Anschlußendaufnehmungen 12 und 16 verbunden sind, zum Erzeugen einer Widerstandsheizung vorgesehen. Die Spule 14 ist hermetisch und elektrisch mit einer integralen Schicht aus Hochtemperaturpolymermaterial von Fluid isoliert. Mit anderen Worten wird das aktive Widerstandsheizmaterial von der Polymerbeschichtung gegenüber Kurzschluß und Fluid geschützt. Das Widerstandsmaterial der vorliegenden Erfindung weist einen ausreichenden Flächeninhalt, eine ausreichende Länge oder eine ausreichende Querschnittsdicke auf, um Wasser auf eine Temperatur von mindestens etwa 48,9°C (120°F) zu erhitzen, ohne die Polymerschicht zu schmelzen. Wie aus der folgenden Erörterung hervorgeht, kann dies durch sorgfältiges Auswählen der entsprechenden Materialien und ihrer Abmessungen bewerkstelligt werden.
Insbesondere unter Bezugnahme auf 3 umfaßt das bevorzugte polymere Fluidheizgerät 100 allgemein drei integrale Teile: eine Anschlußbaugruppe 200, in 5 gezeigt, eine Innenform 300, in 4 gezeigt, und eine Polymerbeschichtung 30. Jede dieser Teilkomponenten und ihr endgültiger Zusammenbau zu dem polymeren Fluidheizgerät 100 wird nun weiter erläutert.
Die in 4 gezeigte bevorzugte Innenform 300 ist eine einstückige spritzgegossene Komponente aus einem Hochtemperaturpolymer. Die Innenform 300 enthält wünschenswerterweise einen Flansch 32 an ihrem äußersten Ende. Neben dem Flansch 32 befindet sich ein Kragenabschnitt mit einer Vielzahl von Gewinden 22. Die Gewinde 22 sind so ausgelegt, daß sie in den Innendurchmesser einer Montageapertur durch die Seitenwand eines Lagertanks passen, beispielsweise in einem Wasserheizgerättank 13. Ein nichtgezeigter O-Ring kann an der inneren Oberfläche des Flansches 32 verwendet werden, um eine sicherere wasserdichte Abdichtung bereitzustellen. Die bevorzugte Innenform 300 enthält auch einen Thermistorhohlraum 39, der sich in ihrem bevorzugten kreisförmigen Querschnitt befindet. Der Thermistorhohlraum 39 kann eine Endwand 33 enthalten, um den Thermistor 25 vom Fluid zu trennen. Der Thermistorhohlraum 39 ist bevorzugt offen durch den Flansch 32, damit die Anschlußbaugruppe 200 leicht eingesetzt werden kann. Die bevorzugte Innenform 300 enthält auch mindestens ein Paar Leiterhohlräume 31 und 35, die sich zwischen dem Thermistorhohlraum und der Außenwand der Innenform befinden, um die Leiterstange 18 und den Anschlußleiter 20 der Anschlußbaugruppe 200 aufzunehmen. Die Innenform 300 enthält eine Serie radialer Ausrichtungsaussparungen 38, die um ihren Außenumfang herum angeordnet sind. Diese Aussparungen können Gewinde oder in Verbindung mit Drähten und so weiter sein und sollten ausreichend beabstandet sein, um einen Sitz für das elektrische Trennen der Schraubenlinien der bevorzugten Spule 14 bereitzustellen.
Die bevorzugte Innenform 300 kann unter Verwendung von Spritzgußprozessen hergestellt werden. Der Durchflußhohlraum 11 wird bevorzugt unter Verwendung eines 31,75 cm (12,5 Inch) langen hydraulisch aktivierten Kernziehens hergestellt, wodurch ein Element erzeugt wird, das etwa 33,02–45,72 cm (13–18 Inch) lang ist. Die Innenform 300 kann in einer Metallform unter Verwendung eines gegenüber von Flansch 32 plazierten Ringangußsteges gefüllt werden. Die Zielwanddicke für den aktiven Elementabschnitt 10 beträgt wünschenswerterweise weniger als 1,27 cm (0,5 Inch) und bevorzugt weniger als 0,254 cm (0,1 Inch) mit einem Zielbereich von etwa 0,1016–0,1524 45,72 cm (0,04–0,06 Inch), von dem angenommen wird, daß er die gegenwärtige Untergrenze für die Spritzgußausrüstung ist. Ein Paar Haken oder Stifte 45 und 55 sind ebenfalls entlang des Aktivelemententwicklungsabschnitts 10 zwischen aufeinander folgenden Gewinden oder Gräben ausgebildet, um einen Angriffspunkt oder Anker für die Schraubenlinien einer oder mehrerer Spulen bereitzustellen. Durch seitliches Kernziehen und ein Kernziehen am Ende durch den Flanschabschnitt können der Thermistorhohlraum 39, der Durchflußhohlraum 11, die Leiterhohlräume 31 und 35 und Durchflußaperturen 57 während des Spritzgusses bereitgestellt werden.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nun die bevorzugte Anschlußbaugruppe 200 erörtert. Die Anschlußbaugruppe 200 umfaßt eine Polymerendkappe 28, die so ausgelegt ist, daß sie ein Paar Anschlußverbindungen 23 und 24 aufnimmt. Wie in 2 gezeigt, können die Anschlußverbindungen 23 und 24 Gewindelöcher 34 und 36 zum Aufnehmen eines Gewindeverbinders wie etwa eine Schraube enthalten, um externe elektrische Drähte zu befestigen. Die Anschlußverbindungen 23 und 24 sind die Endabschnitte des Anschlußleiters 20 und der Thermistorleiterstange 21. Die Thermistorleiterstange 21 verbindet die Anschlußverbindung 24 elektrisch mit dem Thermistoranschluß 27. Der andere Thermistoranschluß 29 ist mit einer Thermistorleiterstange 18 verbunden, die so ausgelegt ist, daß sie in einem Leiterhohlraum 35 entlang des unteren Abschnitts von 4 paßt. Zum Schließen des Kreises ist ein Thermistor 25 vorgesehen. Wahlweise kann der Thermistor 25 durch ein Thermostat, ein festes TCO oder lediglich ein Masseband ersetzt werden, das an einen äußeren Leistungsschalter oder dergleichen angeschlossen ist. Es wird angenommen, daß das nicht gezeigte Masseband in der Nähe eines der Anschlußendaufnehmungen 16 oder 12 befinden könnte, um beim Schmelzen des Polymers kurzzuschließen.
In der bevorzugten Umgebung ist der Thermistor 25 ein Schnapp-Thermostat/-Thermoschalter wie etwa das von der Firma Portage Electric vertriebene Modell W Series. Dieser Thermoschalter weist kompakte Abmessungen auf und eignet sich für 120/240-VAC-Lasten. Er umfaßt einen leitenden Bimetallaufbau mit einem elektrisch aktiven Gehäuse. Eine Endkappe 28 ist bevorzugt ein separat ausgeformtes polymeres Teil.
Nach der Herstellung der Anschlußbaugruppe 200 und der Innenform 300 werden sie bevorzugt vor dem Aufwickeln der offenbarten Spule 14 über den Ausrichtungsaussparungen 38 des Aktivelementabschnitts zusammengebaut. Dabei muß Vorsicht walten, daß man einen geschlossenen Kreis mit den Spulen-Anschlußendaufnehmungen 12 und 16 erhält. Sicher gestellt werden kann dies durch Hartlöten, Löten oder Punktschweißen der Spulen-Anschlussendaufnehmungen 12 und 16 an den Anschlußleiter 20 und der Thermistorleiterstange 18. Es ist auch wichtig, die Spule 14 richtig über der Innenform 300 vor dem Aufbringen der Polymerbeschichtung 30 zu lokalisieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Polymerbeschichtung 30 aufextrudiert, um eine thermoplastische polymere Bindung mit der Innenform 300 zu bilden. Wie bei der Innenform 300 können Kernziehungen während des Ausformprozesses in die Form eingeführt werden, um die Durchflußaperturen 57 und den Durchflußhohlraum 11 offen zu halten.
Bezüglich der 6 und 7 werden Einzel- und Doppelwiderstandsdrahtausführungsformen für die polymeren Heizwiderstandselemente der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der in 6 gezeigten Einzeldrahtausführungsform werden die Ausrichtungsaussparungen 38 der Innenform 300 dazu verwendet, ein erstes Drahtpaar mit Schraubenlinien 42 und 44 in eine Spulenform zu wickeln. Das die bevorzugte Ausführungsform einen gefalteten Widerstandsdraht enthält, wird der Endteil des Falt- oder Schraubenlinienendpunkts 44 gekappt, indem er um einen Stift 45 gefaltet wird. Der Stift 45 ist idealerweise Teil der Innenform 300 und zusammen mit ihr spritzgegossen.
Analog kann eine Doppelwiderstandsdrahtkonfiguration bereitgestellt werden. Bei dieser Ausführungsform sind das erste Paar von Schraubenlinien 42 und 43 des ersten Widerstandsdrahts von dem nächsten konsekutiven Paar von Schraubenlinien 46 und 47 in dem gleichen Widerstandsdraht durch einen Sekundärspulenschraubenlinienendpunkt 54 getrennt, um einen zweiten Stift 55 gewickelt. Ein zweites Paar von Schraubenlinien 52 und 53 eines zweiten Widerstandsdrahtes, die elektrisch mit dem Sekundärspulenschraubenlinienendpunkt 54 verbunden sind, werden dann um die Innenform 300 bei den Schraubenlinien 46 und 47 in dem nächsten angrenzenden Paar von Ausrichtungsaussparungen gewickelt. Obwohl die Doppelspulenbaugruppe abwechselnde Paare von Schraubenlinien für jeden Draht zeigt, versteht sich, daß die Schraubenlinien in Gruppen von zwei oder mehr Schraubenlinien für jeden Widerstandsdraht oder in unregelmäßigen Anzahlen und Wicklungsformen wie gewünscht gewickelt werden können, solange ihre leitenden Spulen voneinander durch die Innenform oder irgendein anderes isolierendes Material wie etwa separate Kunststoffbeschichtungen usw. isoliert bleiben.
Die Kunststoffteile der vorliegenden Erfindung enthalten bevorzugt ein „Hochtemperatur"-Polymer, das sich bei Fluidmediumtemperaturen von etwa 48,9–82°C (120–180°F) nicht signifikant verformt oder schmilzt. Thermoplastische Polymere mit einer Schmelztemperatur über 93,3°C (200°F) sind ganz besonders bevorzugt, wenngleich für diesen Zweck auch bestimmte wärmehärtende Polymere geeignet sein könnten. Bevorzugtes thermoplastisches Material kann enthaltene Fluorkohlenstoffe, Polyarylsulphone, Polyimide, Polyetheretherketone, Polyphenylensulfide, Polyethersulfone und Mischungen und Copolymere dieser Thermokunststoffe. Wärmehärtende Polymere, die für solche Anwendungen akzeptabel sein würden, enthalten bestimmte Epoxide, Phenole und Silicone. Zum Verbessern der chemischen Hochtemperaturverarbeitung können auch Flüssigkristallpolymere eingesetzt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Polyphenylensulfid ("PPS") wegen seiner erhöhten Einsatztemperatur, seinen geringen Kosten und der leichteren Verarbeitbarkeit insbesondere beim Spritzgießen ganz besonders bevorzugt.
Die Polymere der vorliegenden Erfindung können bis zu etwa 5–40 Gewichtsprozent Faserverstärkung wie etwa Graphit, Glas oder Polyamidfaser enthalten. Diese Polymere können mit verschiedenen Zusatzstoffen gemischt werden, um die Wärmeleitfähigkeit und die Formtrenneigenschaften zu verbessern. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch den Zusatz von Kohlenstoff-, Graphit- und Metallpulver oder -flocken verbessert werden. Es ist jedoch wichtig, daß solche Zusatzstoffe nicht im Übermaß verwendet werden, da eine Überfülle an jedem leitenden Material die Isolations- und Korrosionsbeständigkeitseffekte der bevorzugten Polymerbeschichtungen beeinträchtigen können. Alle der polymeren Elemente der vorliegenden Erfindung können mit einer beliebigen Kombination dieser Materialien hergestellt werden, oder selektive einzelne dieser Polymere können mit oder ohne Zusatzstoffen für verschiedene Teile der vorliegenden Erfindung je nach der Endverwendung für das Element verwendet werden.
Das Widerstandsmaterial, das dazu verwendet wird, elektrischen Strom zu leiten, und Hitze in dem Fluidheizgerät in der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, enthält bevorzugt ein Widerstandsmetall, das elektrisch leitend und hitzebeständig ist. Ein populäres Metall ist eine Ni-Cr-Legierung, obwohl bestimmte Kupfer- und Stahllegierungen und Legierungen aus rostfreiem Stahl geeignet sein könnten. Es wird weiter in Betracht gezogen, daß leitende Polymere, die Graphit-, Kohlenstoff- oder Metallpulver- und -fasern enthalten, so lange verwendet werden könnten, wie sie in der Lage sind, eine ausreichende Widerstandsheizung zum Erhitzen von Fluiden wie etwa Wasser zu erzeugen. Die übrigen elektrischen Leiter des bevorzugten polymeren Fluidheizgeräts 100 können ebenfalls unter Verwendung dieser leitenden Materialien hergestellt werden.
Der Standardnennwert der bevorzugten polymeren Fluidheizgeräte der vorliegenden Erfindung, die beim Erwärmen von Wasser verwendet werden, beträgt 240 V und 4500 W, wenngleich die Länge und der Drahtdurchmesser der leitenden Spulen 14 variiert werden kann, um mehrere Nennwerte von 1000 W bis zu etwa 6000 W und bevorzugt zwischen etwa 1700 W und 4500 W bereitzustellen. Bei einer Gasheizung können niedrigere Wattzahlen von etwa 100–1200 W verwendet werden. Doppel- und sogar Dreifachwattzahlkapazitäten können bereitgestellt werden, indem mehrere Spulen oder Widerstandsmaterialien eingesetzt werden, die an verschiedenen Abschnitten entlang des Aktivelementteils 10 enden.
Anhand des oben Gesagten kann realisiert werden, daß die vorliegende Erfindung verbesserte Fluidheizelemente zur Verwendung in allen Arten von Fluidheizeinrichtungen bereitstellt, einschließlich Wasserheizgeräte und Ölraumheizgeräte. Die bevorzugten Einrichtungen der vorliegenden Erfindung sind meist polymer, um die Ausgaben zu minimieren, und um galvanische Aktion innerhalb von Fluidspeichertanks wesentlich zu reduzieren. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die polymeren Fluidheizgeräte in Verbindung mit einem polymeren Speichertank verwendet werden, um die Entstehung von Metallionen betreffender Korrosion insgesamt zu vermeiden.
Alternativ. können diese polymerer Fluidheizgeräte so ausgelegt werden, daß sie separat als ihre eigenen Speicherbehälter verwendet werden, um simultan Gase oder Flüssigkeiten zu speichern und zu erwärmen. Bei einer derartigen Ausführungsform könnte der Durchflußhohlraum 11 in die Form eines Tanks oder Speicherbasin eingeformt sein, und die Heizspule 14 konnte innerhalb der Wand des Tanks oder Basins enthalten sein und bestromt werden, um ein Fluid oder Gas in dem Tank oder Basin zu erwärmen. Die Heizeinrichtungen der vorliegenden Erfindung könnten auch in Nahrungswärmern, Lockenwicklerheizeinrichtungen, Haartrocknern, Brennscheren, Bügeleisen für Kleidung und Erholungsheizgeräte verwendet werden, die an Badeorten und Pools verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung läßt sich auch auf Durchflußheizgeräte anwenden, bei denen ein Fluidmedium durch ein polymeres Rohr geschickt wird, das eine oder mehrere der Wicklungen oder Widerstandsmaterialien der vorliegenden Erfindung enthält. Während das Fluidmedium durch den Innendurchmesser eines derartigen Rohrs hindurch fließt, wird Widerstandshitze durch die polymere Innendurchmesserwand des Rohrs erzeugt, um das Gas oder die Flüssigkeit zu erwärmen. Durchflußheizgeräte eignen sich in Haartrocknern und in „Zahl"-heizgeräten, die oftmals zum Erhitzen von Wasser verwendet werden.
Wenngleich verschiedene Ausführungsformen dargestellt worden sind, geschieht dies zum Zweck des Beschreibens und nicht des Einschränkens der Erfindung.

Claims

Heizelement zum Erwärmen eines Fluids, aufweisend ein elektrisch leitfähiges Widerstandsheizelement (14) besitzend ein Paar freier Enden, welche mit einem Paar Anschlußendaufnehmungen (12, 16) verbunden sind, wobei das Widerstandsheizelement (14) an der äußeren Oberfläche eines inneren Trägerkerns (10) angeordnet ist und mit einer äußeren Beschichtung umhüllt ist, welche in Kontakt mit einem zu erwärmenden Fluid steht, dadurch gekennzeichnet, daß • der innere Kern (10) ein thermoplastisches Hochtemperatur-polymermaterial umfaßt, • die äußere Beschichtung ein umspritztes thermoplastisches Polymer umfaßt, welches eine Bindung mit dem inneren Kern (10) aufweist, wobei i. der innere Kern eine selbsttragende Struktur und einen steifen Aufbau umfaßt ii. die äußere Beschichtung das Widerstandsheizelement (14) hermetisch abschirmt, elektrisch isoliert und die Verbindung der Anschlußendaufnehmungen (12, 16) umschließt.
Heizelement nach Anspruch 1, wobei das Widerstandsheizelement (14) mindestens eine rohrförmige Wicklung (42, 43; 46, 47; 52, 53) umfaßt.
Heizelement nach Anspruch 2, wobei der Kern (10) mindestens eine Durchströmungsdurchbrechung (57) zum Aufnehmen und Durchlaufen des Fluids aufweist.
Heizelement nach Anspruch 1–3, wobei der Kern (10) eine rohrförmige Form hat und darauf mit Ausrichtungsaussparungen (38) versehen ist.
Heizelement nach Anspruch 4, wobei das Widerstandsheizelement (14) mindestens eine rohrförmige Wicklung (42, 43; 46, 47; 52, 53) umfaßt, welche in den Ausrichtungsaussparungen (38) angeordnet ist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Widerstandsheizelement (14) eine Leistung von 1000 bis 6000 Watt zum Erwärmen eines flüssigen Fluids hat.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Widerstandsheizelement (14) eine Leistung von 100 bis 1200 Watt zum Erwärmen eines gasförmigen Fluids hat.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das selbsttragende Polymermaterial eine Dicke von 1 mm bis 12,7 mm hat.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das selbsttragende Polymermaterial ein Harz umfaßt, welches aus Polyarysulfonen, Polyimiden, Polyetheretherketonen, Polyphenylensulfiden, Silikonen, Polyethersulfonen, Flüssigkristallpolymeren und aus Mischungen und Kopolymeren davon ausgewählt wird.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das selbsttragende Polymermaterial Additive enthält, welche die Wärmeleitfähigkeit des Polymermaterials verbessern.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das selbsttragende Polymermaterial Additive in einer Menge von 5 % bis 40 % des Gewichts des Polymermaterials enthält, um eine Versteifung zu erreichen.
Heizelement nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der polymere Hohlkern (10) einen Hohlraum (11), mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende umfaßt, wobei das geschlossene Ende einen mit einem Gewinde versehenen Verbindungsflansch (32) aufweist.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das selbsttragende Polymermaterial Polyphenylensulfide oder ein Flüssigkristallpolymer umfaßt.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das selbsttragende Polymermaterial einen thermoplastischen Werkstoff umfaßt, welcher einen Schmelzpunkt größer 93,3 °C hat.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Polymerbeschichtung (30) auf der rohrförmigen Wicklung eine Dicke von nicht mehr als 12,7 mm hat.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymerbeschichtung (30) auf der rohrförmigen Wicklung eine Dicke von nicht mehr als 2,54 mm hat.
Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der polymere Hohlkern (10) mittels Glas-, Graphit- oder Polyamidfasern verstärkt ist.
Wassererhitzer, aufweisend einen Tank zur Aufnahme eines zu erwärmenden Fluids und ein Heizelement entsprechend Anspruch 1.
Wassererhitzer nach Anspruch 18, wobei das Heizelement sich durch eine Wand des Tanks erstreckt, das Polymermaterial eine Polymerbeschichtung (30) und einen Polymerkern (10) mit einem Hohlraum (11) umfaßt, das Widerstandsheizelement (14) eine rohrförmige Heizwicklung aufweist, welche von einer Polymerbeschichtung (30) umschlossen wird, und der Kern (10) ein offenes und ein geschlossenes Ende hat, wobei das geschlossene Ende einen mit einem Gewinde versehenen Verbindungsflansch aufweist.
Wassererhitzer nach Anspruch 18, wobei das Polymermaterial eine Polymerbeschichtung (30) und einen Polymerkern (10) mit einem Hohlraum (11) umfaßt, das Widerstandserwärmungselement eine rohrförmige Wicklung aufweist, welche von der Polymerbeschichtung (30) umschlossen wird, und der Hohlraum (11) derart gestaltet ist, daß er einen Teil der Wand des Tanks bildet.
Verwendung eines Heizelementes zum Erhitzen eines Fluids aufweisend ein elektrisch leitfähiges Widerstandsheizelement (14), welches ein Paar freier Enden zu einem Paar Anschlußendaufnehmungen (12, 16) verbindet, wobei das Heizelement (14) an der äußeren Oberfläche eines inneren Trägerkerns (10) angeordnet und von einer äußeren Beschichtung umschlossen ist, wobei der innere Kern (10) ein Hochtemperaturpolymermaterial umfaßt, die äußere Beschichtung ein aufextrudiertes thermoplastisches Polymer aufweist, welches eine Bindung mit dem inneren Kern (10) eingeht, der innere Kern (10) eine selbsttragende Struktur umfaßt und einen steifen Aufbau bildet und die äußere Beschichtung das Widerstandsheizelement (14) hermetisch abschirmt und elektrisch isoliert und die Verbindung der Anschlußendaufnehmungen (12, 16) umschließt, in einem Wassererhitzer, welcher einen Tank zur Aufnahme eines zu erwärmenden Fluids umfaßt.
Verwendung nach Anspruch 21, wobei das Widerstandsheizelement (14) eine rohrförmige Heizwicklung umfaßt, welche mit einer Polymerbeschichtung (30) überzogen ist, und der Kern (10) ein offenes und ein geschlossenes Ende hat, das geschlossene Ende einen mit einem Gewinde versehenen Verbindungsflansch aufweist.
Verwendung nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Polymermaterial eine Polymerschicht (30) und einen Polymerkern (10) mit einem Hohlraum (11) umfaßt, das Widerstandserwärmungselement eine rohrförmige Wicklung aufweist, welche von einer Polymerbeschichtung (30) überzogen ist, und der Hohlraum (11) derart gestaltet ist, daß er einen Teil der Wand des Tanks bildet.