DE69735381T2

DE69735381T2 - Polymerischer tauchheizkörper mit skelettartigem stutzelement

Info

Publication number: DE69735381T2
Application number: DE69735381T
Authority: DE
Inventors: M. Charles Dallas ECKMAN; S. James Montgomery RODEN
Original assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Current assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: HUP9904511A3; HUP9904511A1; WO1998024269A1; BR9713543B1; ES2259448T3; CN1128566C; AU742484B2; BR9713543A; EP0941632A4; CA2265674A1; CZ298182B6; AU5267198A; CA2265674C; AR010308A1; JP2001506796A; HU226288B1; TR199901168T2; TW382876B; ID18980A; JP3832671B2

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Heizwiderstandselemente und insbesondere Heizwiderstandselemente auf Polymerbasis zum Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten.
Aus US 2,846,536 ist ein elektrisches Heizgerät bekannt, bei dem ein Widerstandsdraht auf eine Trägeroberfläche aufgewickelt und mit mindestens einem Paar Endanschlussteilen verbunden ist, wobei die Widerstandsspule durch ein isolierendes Material isoliert ist, das ein körniges Material ist.
Aus US 4,326,121 ist ein elektrisches Tauchheizgerät planarer Konstruktion zur Verwendung in industriellen Prozessen bekannt, das aus einem nicht-korrodierbaren Material konstruiert ist und auf der Seite einer Verarbeitung, die keine korrigierenden Flüssigkeiten enthält, eingetaucht werden kann. Das Heizgerät enthält einen dünnen planaren polymeren Trägerrahmen mit Seitenelementen mit Endsektionen, die sich über die Endabschnitte des Rahmens hinaus erstrecken.
Aus WO 96/21336 ist eine elektrische Heizwiderstandseinrichtung bekannt, die ein elektrisch leitendes Heizwiderstandselement enthält, das von einer integralen Schicht eines elektrisch isolierenden wärmeleitenden spritzgegossenen polymeren Materials vollständig gestützt und von diesem umschlossen wird, wodurch das polymere Material in direktem Kontakt mit dem Fluid steht. Der Träger liegt in rohrförmiger Form mit einer Vielzahl von Durchbrüchen dort hindurch vor. Der Ausdruck "dünn skelettartig" wird auf Seite 2, Zeile 29 und Seite 3, Zeilen 2 und 3 offenbart.
Allgemeiner Stand der Technik
In Verbindung mit Wasserheizgeräten verwendete elektrische Heizwiderstandselemente sind traditionellerweise aus Metall- und Keramikkomponenten hergestellt worden. Eine typische Konstruktion enthält ein Paar Anschlussstifte, die an die Enden einer 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 Wasserheizgeräteindustrie gewesen sind, 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 nach dem Stand der Technik leider nicht in der Lage, über eine normale Nutzlebensdauer hinweg hohe Nennbelastbarkeiten zu erzielen und fanden, was damit einhergeht, keine große Akzeptanz.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt elektrische Widerstandsheizelemente bereit, die geeignet sind, um durch eine Wand eines Tanks wie etwa eines Wasserheizgerätespeicherungstanks zum Erhitzen eines flüssigen Mediums verwendet zu werden. Das Element enthält einen skelettartigen Trägerrahmen mit einer ersten Trägeroberfläche daran. Auf diese Trägeroberfläche ist ein Widerstandsdraht aufgewickelt, der dem Fluid eine Widerstandsheizung vermitteln kann. Der Widerstandsdraht ist innerhalb der wärmeleitenden Polymerbeschichtung hermetisch abgeschirmt und elektrisch isoliert.
Die vorliegende Erfindung ist eine große Erleichterung für Ausformoperationen durch Bereitstellen einer dünnen skelettartigen Struktur zum Stützen des Heizwiderstandsdrahts. Diese Struktur enthält eine Vielzahl von Durchbrüchen oder Aperturen, um einen besseren Fluss von geschmolzenem Polymermaterial zu gestatten. Der offene Träger liefert größere Formquerschnitte, die leichter gefüllt werden können. Während des Spritzgießens beispielsweise kann geschmolzenes Polymer fast ganz um den Heizwiderstandsdraht geschickt werden, um das Auftreten von Blasen entlang der Grenzfläche des skelettartigen Trägerrahmens und der polymeren überformten Beschichtung stark zu reduzieren. Es ist bekannt, dass solche Blasen während des Betriebs des Elements in Wasser heiße Stellen verursachen. Außerdem reduzieren die dünnen skelettartigen Trägerrahmen der vorliegenden Erfindung das Potential für eine Ablösung von ausgeformten Komponenten und Trennung des Heizwiderstandsdrahts von der Polymerbeschichtung. Die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten Verfahren verbessern die Abdeckung stark und unterstützen das Minimieren von Formöffnungen, indem sie niedrigere Drücke erfordern.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Fertigungsmethode für ein elektrisches Heizwiderstandselement bereitgestellt. Diese Fertigungsmethode beinhaltet das Bereitstellen eines skelettartigen Trägerrahmens mit einer Trägeroberfläche und das Aufwickeln eines Heizwiderstandsdrahts auf die Trägeroberfläche. Schließlich wird ein wärmeleitendes Polymer über dem Heizwiderstandsdraht ausgeformt, um den Draht elektrisch zu isolieren und hermetisch abzuschirmen. Diese Methode kann so variiert werden, dass sie das Spritzgießen des Trägerrahmens und des wärmeleitenden Polymers beinhaltet und ein gewöhnliches Harz kann für beide dieser Komponenten verwendet werden, damit das resultierende Element eine gleichförmigere Wärmeleitfähigkeit erhält.
Eine kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie andere die Offenbarung betreffende Informationen. Es zeigen:
1: eine Perspektivansicht eines bevorzugten polymeren Fluidheizgeräts 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 eines bevorzugten inneren Formabschnitts des polymeren Fluidheizgeräts von 1;
5: eine vordere planare Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer bevorzugten Anschluss baugruppe 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;
8: eine vordere Perspektivansicht eines bevorzugten skelettartigen Trägerrahmens des Heizelements der vorliegenden Erfindung;
9: eine vergrößerte Teilansicht des bevorzugten skelettartigen Trägerrahmens von 8, die eine abgeschiedene wärmeleitende Polymerbeschichtung veranschaulicht;
10: eine vergrößerte Querschnittsansicht eines alternativen skelettartigen Trägerrahmens;
11: eine seitliche Draufsicht auf den skelettartigen Trägerrahmen von 10 und
12: eine vordere Draufsicht auf den vollen skelettartigen Trägerrahmen von 10.
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 von 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 insbesondere 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 dem bevorzugten Heizgerät 100 ist eine Spule 14 mit einem Paar freier Enden, die mit einem Paar von Endanschlussteilen 12 und 16 verbunden sind, zum Erzeugen einer Widerstandsheizung vorgesehen. Die Spule 14 ist hermetisch und elektrisch mit einer integralen Schicht aus Hochtemperaturpolymermaterial gegen Fluid isoliert. Mit anderen Worten wird das aktive Heizwiderstandsmaterial von der Polymerbeschichtung gegenüber Kurzschluss im 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 nicht gezeigter O-Ring kann an der inneren Oberfläche des Flanschs 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 Ausrichtungsrillen 38, die um ihren Außenumfang herum angeordnet sind. Diese Rillen können Gewinde oder unverbundene Gräben 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 33,02–45,72 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 ist 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 sich das nicht gezeigte Masseband in der Nähe eines der Endanschlussteile 16 oder 12 befinden könnte, um während des Schmelzens 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 30 werden sie bevorzugt vor dem Aufwickeln der offenbarten Spule 14 über den Ausrichtungsrillen 38 des Aktivelementabschnitts 10 zusammengebaut. Dabei muss Vorsicht walten, dass man einen geschlossenen Kreis mit den Spulen-Endanschlussteilen 12 und 16 erhält. Sichergestellt werden kann dies durch Hartlöten, Löten oder Punktschweißen der Spulen-Endanschlussteile 12 und 16 an dem Endanschlussteil 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 überextrudiert, 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 Einzeldraht ausführungsform werden die Ausrichtungsrillen 38 der Innenform 300 dazu verwendet, ein erstes Drahtpaar mit Schraubenlinien 42 und 43 in eine Spulenform zu wickeln. Da 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 Doppelwiderstansdrahtkonfiguration bereitgestellt werden. Bei dieser Ausführungsform ist 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, wird dann um die Innenform 300 neben den Schraubenlinien 46 und 47 in dem nächsten angrenzenden Paar von Ausrichtungsrillen 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 irgend ein anderes isolierendes Material wie etwa separate Kunststoffbeschichtungen usw. isoliert bleiben.
Die Kunststoffteile der vorliegenden Erfindung enthalten bevorzugt ein "Hochtemperatur"-Polymer, das sich bei Fluidmediumstemperaturen 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 Keramiken und wärmehärtende Polymere geeignet sein könnten. Bevorzugtes thermoplastisches Material kann enthalten: Fluorkohlenstoffe, Polyarylsulfone, 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 Grafit, 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-, Grafit- 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 kann. 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 Zusatzstoffe 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 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 zum Beispiel Grafit-, Kohlenstoff- oder Metallpulver oder fasern enthalten, solange als Substitut für metallenes Widerstandsmaterial 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.
Als Alternative zu der bevorzugten Innenform 300 der vorliegenden Erfindung ist demonstriert worden, dass ein skelettartiger Trägerrahmen 70, in den 8 und 9 gezeigt, zusätzliche Vorzüge liefert. Wenn eine massive Innenform 300 wie etwa ein Rohr bei Spritzgussoperationen verwendet wurde, kam es manchmal zu einem fehlerhaften Füllen der Form aufgrund dessen, dass Heizgerätedesigns geringe Wanddicken von nur 0,0635 cm (0,025 Inch) und übermäßige Längen von bis zu 35,56 cm (14 Inch) verlangten. Das wärmeleitende Polymer stellte ebenfalls ein Problem dar, da es wünschenswerterweise Zusatzstoffe wie etwa Glasfaser und Keramikpulver, Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Magnesiumoxid (MgO) enthielt, was bewirkte, dass das geschmolzene Polymer extrem viskos war. Infolgedessen waren übermäßige Drücke erforderlich, um die Form ordnungsgemäß zu füllen und gelegentlich führte ein derartiger Druck zum Öffnen der Form.
Um das Auftreten derartiger Probleme auf ein Minimum zu reduzieren, wird bei der vorliegenden Erfindung die Verwendung von skelettartigen Trägerrahmen 70 mit mehreren Durchbrüchen und einer Trägeroberfläche zum Halten des Heizwiderstandsdrahtes 66 in Betracht gezogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der skelettartige Trägerrahmen 70 ein röhrenförmiges Element mit etwa 6–8 beabstandeten länglichen Keilen 69, die über die ganze Länge des Rahmens 70 verlaufen. Die Keile 69 werden durch eine Serie von Ringabstützteilen 60 zusammengehalten, die über die Länge des rohrartigen Elements longitudinal beabstandet sind. Diese Ringabstützteile 60 sind bevorzugt weniger als etwa 0,127 cm (0,05 Inch) dick und besonders bevorzugt etwa 0,063–0,0762 cm (0,025–0,030 Inch) dick. Die Keile 69 sind bevorzugt etwa 0,3175 cm (0,125 Inch) breit an der Oberseite und wünschenswerterweise zu einer Spitzenwärmeübertragungsrippe 62 verjüngt. Die Rippen 62 sollten sich mindestens etwa 0,3175 cm (0,125 Inch) über den Innendurchmesser des finalen Elements hinaus erstrecken, nachdem die polymere Beschichtung 64 aufgebracht worden ist, und bis zu 0,635 cm (0,250 Inch), um eine maximale Wärmeleitung in Fluiden wie etwa Wasser zu bewirken.
Die äußere radiale Oberfläche der Keile 69 enthält bevorzugt Rillen, die eine Doppelschraubenlinienausrichtung des bevorzugten Heizwiderstandsdrahts 66 aufnehmen können.
Obgleich die vorliegende Erfindung beschreibt, dass die Wärmeübertragungsrippen 62 Teil des skelettartigen Trägerrahmens 70 sind, können solche Rippen 62 als Teil der Ringabstützteile 60 oder der überformten polymeren Beschichtung 64 oder aus einer Vielzahl dieser Oberflächen sein. Analog können die Wärmeübertragungsrippen 62 auf der Außenseite der Keile 69 so vorgesehen sein, dass sie über die polymere Beschichtung 64 hinaus stechen. Außerdem sieht die vorliegende Erfindung die Bereitstellung einer Vielzahl von unregelmäßigen oder geometrisch geformten Höckern oder Vertiefungen entlang der Innen- oder Außenoberfläche der bereitgestellten Heizelemente vor. Solche Wärmeübertragungsoberflächen erleichtern bekannterweise das Entfernen von Wärme von Oberflächen in Flüssigkeiten. Sie können in einer Reihe von Wegen bereitgestellt werden, einschließlich ihr Spritzgießen in die Oberfläche der polymeren Beschichtung 64 oder Rippen 62, Ätzen, Sandstrahlen oder mechanisches Bearbeiten der äußeren Oberflächen der Heizelemente der vorliegenden Erfindung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der skelettartige Trägerrahmen 70 ein thermoplastisches Harz, bei dem es sich um eines der "Hochtemperatur"-Polymere handeln kann, die hier beschrieben sind, wie etwa Polyphenylensulfid ("PPS"), mit einer geringen Menge an Glasfaser für die strukturelle Unterstützung, und wahlweise Keramikpulver wie etwa (Al₂O₃) oder MgO zum Verbessern der Wärmeleitfähigkeit. Alternativ kann der skelettartige Trägerrahmen ein geschmolzenes Keramikelement sein, einschließlich einem oder mehreren von Aluminasilikat, Al₂O₃, MgO, Grafit, ZrO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, SiC, SiOi usw. oder ein thermoplastisches oder wärmehärtendes Polymer, das anders ist als die "Hochtemperatur"-Polymere, die zur Verwendung mit der Beschichtung 30 vorgeschlagen werden. Wenn ein Thermokunststoff für den skelettartigen Trägerrahmen 70 verwendet wird, sollte er eine Formbeständigkeitstemperatur aufweisen, die über der Temperatur des geschmolzenen Polymers liegt, mit dem die Beschichtung 30 ausgebildet wird.
Der skelettartige Trägerrahmen 70 wird in einer Drahtwickelmaschine plaziert und der bevorzugte Heizwiderstandsdraht 66 wird gefaltet und in einer Doppelschraubenlinienkonfiguration um den skelettartigen Trägerrahmen 70 in der bevorzugten Trägeroberfläche, d.h. beabstandeten Rillen 68, gewickelt. Der vollständig gewickelte skelettartige Trägerrahmen 70 wird danach in der Spritzgussform plaziert und dann mit einem der bevorzugten polymeren Harzformen der vorliegenden Erfindung überzogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bleibt nur ein kleiner Teil der Wärmeübertragungsrippe 62 exponiert, um Fluid zu kontaktieren, wobei der Rest des skelettartigen Trägerrahmens 70 mit dem geformten Harz sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite (falls es eine röhrenförmige Form aufweist) bedeckt wird. Dieser exponierte Teil beträgt bevorzugt unter etwa 10 Prozent des Flächeninhalts des skelettartigen Trägerrahmens 70.
Die offenen Querschnittsbereiche, die die Vielzahl von Durchbrüchen des skelettartigen Trägerrahmens 70 darstellen, gestatten ein leichteres Füllen und eine größere Abdeckung des Heizwiderstandsdrahtes 66 durch das geformte Harz und minimieren gleichzeitig das Auftreten von Blasen und heißen Stellen. Bei bevorzugten Ausführungsformen sollten die offenen Bereiche mindestens etwa 10 Prozent und wünschenswerterweise mehr als 20 Prozent der ganzen röhrenförmigen Oberfläche des skelettartigen Trägerrahmens 70 umfassen, so dass geschmolzenes Polymer leichter um den Trägerrahmen 70 und den Heizwiderstandsdraht 66 strömen kann.
Ein alternativer skelettartiger Trägerrahmen 200 ist in den 10-12 dargestellt. Der alternative skelettartige Trägerrahmen 200 enthält auch eine Vielzahl von longitudinalen Keilen 268 mit beabstandeten Rillen 260 für das Aufnehmen eines gewickelten Heizwiderstandsdrahtes (nicht gezeigt). Die longitudinalen Keile 268 werden bevorzugt mit Ringabstützteilen 266 zusammengehalten. Die beabstandeten Ringabstützteile 266 enthalten ein "Wagonrad"-Design mit einer Vielzahl von Speichen 264 und einer Nabe 262. Dadurch erhält man eine vergrößerte strukturelle Abstützung gegenüber dem skelettartigen Trägerrahmen 70, während es die bevorzugten Spritzgussoperationen nicht wesentlich stört.
Alternativ können die polymeren Beschichtungen der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden, indem die offenbarten skelettartigen Trägerrahmen 70 oder 200 beispielsweise in ein Wirbelbett aus pelletisiertem oder gepulvertem Polymer wie etwa PPS getaucht werden. Bei einem derartigen Prozess sollte der Widerstandsdraht auf die skelettartige tragende Oberfläche gewickelt und bestromt sein, um Wärme zu erzeugen. Falls PPS verwendet wird, sollte vor dem Tauchen des skelettartigen Trägerrahmens in das Wirbelbett aus pelletisiertem Polymer eine Temperatur von mindestens etwa 260°C (500°F) erzeugt sein. Das Wirbelbett gestattet engen Kontakt zwischen dem pelletisierten Polymer und dem erwärmten Widerstandsdraht, damit um den ganzen Heizwiderstandsdraht und im Wesentlichen um den skelettartigen Trägerrahmen herum im Wesentlichen gleichförmig eine polymere Beschichtung bereitgestellt wird. Das resultierende Element kann eine relativ massive Struktur enthalten oder eine substanzielle Anzahl von offenen Querschnittsbereichen aufweisen, wenngleich angenommen wird, dass der Heizwiderstandsdraht gegenüber Fluidkontakt hermetisch isoliert sein sollte. Es versteht sich weiterhin, dass der skelettartige Trägerrahmen und der Heizwiderstandsdraht vorerwärmt werden können, statt den Heizwiderstandsdraht zu bestromen, um ausreichende Hitze zu erzeugen, damit die Polymerpellets auf seine Oberfläche aufgeschmolzen werden. Dieser Prozess kann auch eine Nachwirbelbetterwärmung beinhalten, um eine gleichförmigere Beschichtung bereitzustellen. Andere Modifikationen an dem Prozess werden innerhalb des Fachkönnens aktueller Polymertechnologie liegen.
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 polymeren 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 könnte 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.

Claims

Elektrisches Heizwiderstandselement (100) geeignet, um durch eine Wand eines Tanks (13) zum Erhitzen eines flüssigen Mediums verwendet zu werden, aufweisend a) ein erstes Flanschende (32) b) einen Widerstandsdraht (66) welcher auf eine Trägeroberfläche eines Trägerelementes aufgewickelt und mit mindestens einem paar Endanschlussteilen (12, 16) am Flanschende des Heizelementes (100) verbunden ist und c) das Trägerelement eine Vielzahl an Durchbrüchen aufweist dadurch gekennzeichnet, dass d) das Trägerelement die Form eines dünnen skelettartigen Trägerrahmens (70) hat und e) eine Vielzahl an Keilen (69) und eine Vielzahl an Abstützteilen (60), welche die Keile (69) verbinden aufweist, und f) sich eine wärmeleitende Polymerbeschichtung (30) über dem Widerstandsdraht (66) zur hermetischen Abschirmung und elektrischen Isolation des Widerstandsdrahts (66) vom flüssigen Medium befindet.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keile (69) länglich und die Abstützteile (60) ringförmig ausgestaltet sind.
Heizelement nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Keile (69) eine Vielzahl an Rillen (68) zum Aufnehmen des Widerstandsdrahts (66) aufweisen.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Trägerrahmen (70) weiter Wärmeübertragungsrippen (62) aufweist, welche in das flüssige Medium hineinragen.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Trägerrahmen (60) mit einer im wesentlichen rohrförmigen Form versehen ist wobei die Vielzahl der Durchbrüche mindestens 10 Prozent der Gesamtoberfläche der rohrförmigen Form, zum erleichterten Einpressen der wärmeleitenden Polymerbeschichtung über den Widerstandsdraht, einnehmen.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Trägerrahmen (70) und die wärmeleitende Polymerbeschichtung (30) ein gebräuchliches thermoplastisches Harz beinhalten.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Rahmen (70) aus einem Polymermaterial besteht.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Rahmen (70) eine im wesentlichen rohrförmige Form aufweist.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsrippen (62) an einer inneren Oberfläche der rohrförmigen Form angeordnet sind.
Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähige Polymerbeschichtung (30, 64) über dem Widerstandsdraht (66) und über einem wesentlichen Teil des Trägerrahmens (70), für die hermetische Abschirmung und die elektrische Isolation des Widerstandsdrahts (66) von dem flüssigen Medium, angeordnet ist; und eine Vielzahl an Wärmeübertragungsrippen (62) vorgesehen sind um die Oberfläche des Wärmeelementes zu vergrößern und damit eine höhere Effizienz beim Erwärmen des flüssigen Mediums zu erreichen.
Heizwiderstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30) einen Zusatzstoff zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Polymerbeschichtung (30) beinhaltet, wobei die Polymerbeschichtung den Widerstandsdraht (66) und mindestens 90 Prozent des skelettartigen Trägerrahmens (70), zur hermetischen Abschirmung und elektrischen Isolation des Widerstandsdrahts (66) von dem flüssigen Medium bedeckt und der skelettartige Trägerrahmen (70) eine Vielzahl an Durchbrüchen zum erleichterten Einpressen des Polymerüberzugs (30) aufweist.
Verwendung eines Heizelementes mit den Merkmalen von einem der vorangegangenen Ansprüche in einem Wassererwärmer aufweisend: einen Tank (13) zum Aufnehmen eines flüssigen Mediums, und ein an einer Wand des Tanks (13) befestigtes Heizelement das an einen Teil des flüssigen Mediums im Tank (13) die elektrische Widerstandswärme bereitstellt.
Eine Fertigungsmethode für ein elektrisches Heizwiderstandselement (100), zum Erwärmen eines flüssigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein rohrförmiger, polymerer skelettartiger Trägerrahmen (70) mit einer ersten Trägeroberfläche und einer Vielzahl an Keilen (69) und einer Vielzahl an Ringabstützteilen (60), welche die Keile (69) verbinden, bereitgestellt wird b) ein Widerstandsdraht (66), welcher mindestens mit einem Paar einer Anschlussendaufnehmungen (12, 16) verbunden ist, auf die erste Trägeroberfläche aufgewickelt wird; c) eine wärmeleitfähige Polymerbeschichtung (30) über den Widerstandsdraht (66) und über einen wesentlichen Teil des Trägerrahmens (70) zur hermetischen Abschirmung und elektrischen Isolation des Widerstandsdrahts (66) von dem flüssigen Medium geformt wird; und d) eine Vielzahl an Wärmeübertragungsrippen (62), welche sich von der Trägeroberfläche des Wärmeelementes erstrecken um eine höhere Effizienz beim Erwärmen des flüssigen Mediums zu erreichen, bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Trägerrahmen (70) mit einer Vielzahl an Durchbrüchen versehen ist, und die wärmeleitende Polymerbeschichtung (30) den Draht (66) aufnimmt, wobei das elektrische Widerstandselement ein elektrisches Widerstandselement zum Erwärmen eines flüssigen Mediums ist, und der Draht und der wesentliche Teil des skelettartigen Trägerrahmens (70) von dem flüssigen Medium umschlossen werden, wobei der Bereitstellungsschritt (a) eine Formeinspritzung des skelettartigen Trägerrahmens (70), und der Formgebungsschritt (c) eine Formeinspritzung der wärmeleitfähigen Polymerbeschichtung (30) zum Umschließen des Drahtes (66) und zum Umschließen von mindestens 90 Prozent des skelettartigen Trägerrahmens (70) umfasst, wobei der verbleibende Anteil des skelettartigen Trägerrahmens (70), welcher nicht umschlossen ist, eine Vielzahl an Wärmeübertragungsrippen (62) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch den skelettartigen Trägerrahmen (70) mit einer Vielzahl von länglichen Keilen (69), welche von einer Reihe von beabstandeten Trägerringen verbunden werden und die länglichen Keile beabstendete Rillen (68) aufweisen, den Wicklungsschritt (b) zum Wickeln des Widerstandsdrahts (66) auf die beabstandeten Rillen (68), wobei der Wärmewiderstandsdraht ein paar freie Enden aufweist, welche an einem paar der Anschlussteile (12, 16) angeschlossen sind, und den Formgebungsschritt (c) für das Formeinspritzen der Polymerbeschichtung (30), welche einen Zusatzstoff beinhaltet zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung, über dem Widerstandsdraht (66) und über mindestens 90 Prozent des skelettartigen Trägerrahmens (70), um die elektrische Isolation und die hermetische Abschirmung des Widerstandsdrahtes (66) von dem flüssigen Medium zu erreichen, wobei der skelettartige Trägerrahmen (70) eine Vielzahl an Durchbrüchen aufweist um die Formgebung der Polymerschicht (30) zu erleichtern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13–15, dadurch gekennzeichnet, dass der skelettartige Trägerrahmen (70) und die Polymerbeschichtung (30) ein thermoplastisches Harz enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13–16, dadurch gekennzeichnet, dass die längsförmigen Keile (69) eine Vielzahl an Rillen (68) zum Aufnehmen des Drahtes (66) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung wärmeleitend ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13–18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereitstellungsschritt (a) von Anspruch 15 eine Formeinspritzung des skelettartigen Trägerrahmens (70) einschließt, und der Formgebungsschritt (c) aus Anspruch 15 eine Formeinspritzung der Polymerbeschichtung (30) einschließt, um den Wärmewiderstandsdraht (66) und mindestens 90 Prozent des skelettartigen Trägerrahmens (70) zu umschließen.