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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung mit wenigstens einer
Wendel oder einem Mäander
aus einem elektrischen Widerstandsheizdraht.
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Derartige
Heizeinrichtungen sind bekannt, wobei der Widerstandsheizdraht als
Rund- oder Flachdraht ausgebildet ist. Zusätzlich kann der Heizdraht noch
gewellt sein. So ist eine Heizeinrichtung bekannt, bei der um einen
ebenen, länglichen
Träger aus
Isoliermetall ein gewellter Heizdraht wendelartig gewickelt ist
(
DE 26 61 101 ), wobei
der Heizdraht eigenstabil ist und den Träger lediglich im Bereich der Seitenkanten
berührt.
Trotz der aufgrund des gewellten Heizdrahtes vergrößerten Heizdrahtoberfläche und
der guten Wärmeabfuhr
durch die eigenstabile beabstandete Heizdrahtführung und bei Anordnung mehrerer
solcher Heizeinrichtungen in einem Heizkörper ist es aufgrund der Oberflächenbelastung
des Heizdrahtes nicht möglich,
diese Heizeinrichtung bei größerem Leistungsbedarf
und höheren
geforderten Austrittstemperaturen, wie dies beispielsweise bei Wä schetrocknern
gefordert ist, zu erreichen, ohne dass der Heizdraht zu glühen beginnt
und durchbrennt.
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Aus
diesem Grund werden für
diese höheren Leistungsanforderungen
Heidrähte
in Flachbandausführung
verwendet, die hochkant mit ihrer Schmalseite um einen eben länglichen
Träger
wendelartig gewickelt werden, wobei sie wiederum den Träger nur im
Bereich der Seitenkanten berühren.
Durch die sehr viel größere Drahtoberfläche eines
Flachdrahtes lässt
sich hierdurch die Oberflächenbelastung des
Heizdrahtes erheblich reduzieren.
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Nachteilig
bei einer Lösung
mit einem hochkant gewickelten Flachband ist allerdings zum einen die
schwierige Hochkantverarbeitung eines Flachbandes und zum anderen
der größere Materialbedarf,
der die Materialkosten und das Gewicht erhöht. Darüber hinaus ist ein Flachbandheizdraht
auch teurer als ein Runddraht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Heizvorrichtung mit einem elektrischen
Widerstandsheizdraht zu schaffen, die eine Leistungsaufnahme von
mehreren Kilowatt ermöglicht,
dabei kompakt und leicht im Aufbau ist, die kostengünstig und
einfach herstellbar ist, eine gute Wärmeabfuhr hat und eine eigenstabile
Heizdrahtanordnung ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung gelöst, bei
der der Widerstandsdraht der Heizeinrichtung ein eigenstabiles Heizdrahtseil
ist, wobei das Heizdrahtseil aus mehreren einzelnen miteinander
verdrillten Heizdrähten
besteht und das Heizdrahtseil überwiegend
beabstandet von dem oder den Träger(n)
oder ganz ohne Träger
geführt
ist.
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Die
Verwendung eines Heizdrahtseiles mit mehreren einzelnen miteinander
verdrillten Heizdrähten
hat gleich mehrere Vorteile.
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Im
Vergleich zu einem einfachen Runddraht hat ein Heizdrahtseil bezogen
auf die gleiche Querschnittsfläche
eine um ein vielfaches größere Heizdrahtoberfläche. Dadurch
reduziert sich erheblich die Oberflächenbelastung, wodurch der
Heizdraht bei gleicher Länge
mit wesentlich mehr Leistung beaufschlagt werden kann ohne durchzubrennen.
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Ein
weiterer Vorteil gegenüber
einem einfachen Ruddraht ist eine bessere Stabilität. So ist
es im Gegensatz zu einer Wendel aus Runddraht bei einer Wendel aus
einem Heizdrahtseil eher möglich,
auf einen Träger
ganz zu verzichten und die Wendel lediglich an ihren Enden festzulegen,
ohne dass sich die Wendel bei Erwärmung zu stark durchbiegt.
Weiterhin vorteilhaft erzeugt ein Heizdrahtseil im Gegensatz zu
einem einfachen Runddraht bei einem durchströmenden Medium eine turbulente
Strömung.
Dadurch ist die Wärmeübertragung
zwischen Heizdrahtseil und Medium gegenüber einem einfachen runden Heizdraht
verbessert.
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Auch
im Vergleich mit einer Wendel aus Flachbanddraht ergeben sich mehrere
Vorteile.
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Ein
Vorteil ist dabei die einfache Verarbeitung des Heizdrahtseiles
gegenüber
einem hochkant gewickelten Flachbanddraht. Ein Heizdrahtseil kann hier
ohne Probleme auf einer herkömmlichen
Wickelmaschine wendelartig beabstandet um eine längliche Trägerplatte gewickelt werden.
Darüber
hinaus ist die Stabilität
des gewickelten Heizdrahtseiles besser als bei einem hochkant gewickelten
Flachbanddraht.
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Ein
weiterer Vorteil ist eine Gewichtseinsparung. Durch die auch im
Vergleich zu einem Flachbanddraht vergrößerte Oberfläche eines
Heizdrahtseiles kann bei etwa gleicher Oberflächenbelastung ein gegenüber dem
Flachbanddraht kürzeres
Heizdrahtseil verwendet werden bei gleichzeitig noch vermindertem
Heizleiterquerschnitt. Beides zusammen bewirkt eine Gewichtsersparnis.
Durch die verminderte Heizleiterlänge ist es darüber hinaus
auch möglich,
die Vorrichtung kompakter bei gleicher Heizleistung zu bauen. Die
Gewichtsersparnis führt
zusammen mit den geringeren Kosten für Runddraht gegenüber Flachbanddraht
zu einer wesentlichen Kostenersparnis, die je nach Heizvorrichtung
durchaus 50 betragen kann.
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Weiterhin
vorteilhaft ist die bessere Wärmeübertragung
vom Heizdrahtseil an das zu erwärmende Fluid,
insbesondere Luft. Dies ist mit einer größeren Verwirbelung des Fluids
im Bereich der Heizvorrichtung zu erklären. Während bei einem Flachbanddraht das
mittig zwischen den Windungen durchströmende Fluid laminar ungehindert
hindurchströmt,
ohne wesentlich Wärme
aufzunehmen, und nur die Bereiche Wärme aufnehmen, die unmittelbar
am Flachbanddraht vorbeiströmen,
erzeugt das Heizdrahtseil eine turbulente Strömung, so dass das gesamte hindurchströmende Fluid
gleichmäßig Wärme aufnimmt.
Dadurch kann mit weniger Leistung und kompakterer Bauweise die gleiche
Menge Fluid auf eine bestimmte Austrittstemperatur erwärmt werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführung
der Erfindung ist ein doppelt verdrilltes Heizdrahtseil. Hierbei
sind mehrere Heizdrahtseile wiederum zu einem Heizdrahtseil verdrillt.
Dadurch kann man die aufgeführten
Vorteile in Bezug auf Oberflächenvergrößerung,
Stabilität
und turbulente Strömung
nochmals verstärken.
Als besonders bevorzugte Ausführung
ist dabei die Variante zu nennen, bei der drei Einzel- Drahtseile aus jeweils
sieben Einzeldrähten nochmals
gegenseitig verdrillt sind.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Heizdrahtseil
vorgeglüht
ist. Damit ist also das Heizdrahtseil als Ganzes vorgeglüht, vorzugsweise
nach dem es in die endgültige
Kontur gebracht wurde.
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Wird
ein einzelner Heizdraht vorgeglüht,
so wird er weicher und unelastischer und damit instabiler. Man spricht
auch von Weichglühen. Überraschend
hat sich gezeigt, dass ein geglühtes
verdrilltes Drahtseil federnd elastisch und formstabil ist. Damit
wird die gesamte Heizdrahtwendel stabil, was gerade bei der eigenstabilen
Heizdrahtanordnung von großem
Vorteil ist. Durch diese Stabilität ist es ggf. möglich auf
einen Träger
zu verzichten, da sich die Heizdrahtwendel durch die größere Formstabilität nicht
durchbiegt. Eine erfindungsgemäß vorgeglühte Drahtseilwendel
zieht sich nach Auseinanderziehen wieder auf ihre ursprüngliche
Länge zusammen, während eine
vorgeglühte
Runddrahtwendel aus einem einzelnen Draht ihre gezogene Länge beibehalten
würde.
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Die
Erfindung sieht daher weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer
Heizvorrichtung vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein
Heizdrahtseil zunächst
in seine Gebrauchskontur gebracht und anschließend in dieser Kontur vorgeglüht wird.
Der Heizdraht wird also beispielsweise in Schrauben- oder Wendelformen
gebracht und in dieser Kontur vorgeglüht. In bevorzugter Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass das Vorglühen
bei einer Temperatur zwischen 600°C
und 1200°C
erfolgt, bevorzugt zwischen 800°C
und 1000°C.
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Ein
erfindungsgemäß vorgeglühtes Heizdrahtseil
kann mit Vorteil auch als Heizung in Glüh- oder Brennöfen eingesetzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Heizdrahtseil
kann so beispielsweise in eine Keramikform eingelegt oder eingeschoben
oder aber um ein Keramikträger
gewickelt werden. Auch hier ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil
einer Oberflächenvergrößerung gegenüber einem
einfachen einstöckigen
Runddraht.
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Weitere
Vorteile und Merkmale sind den Unteransprüchen und den beispielhaften
Ausführungen entsprechend
den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigt:
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1 einen beispielhaften Heizkörper mit vier
Einzelvorrichtungen;
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2 einen Querschnitt des
beispielhaften Heizkörpers
aus 1;
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3 einen Heizkörper mit
frei tragenden Heizeinrichtungen;
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4 eine alternative Heizeinrichtung
mit zusätzlich
gewelltem Heizdrahtseil und zwei Trägerplatten;
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5 ein Heizdrahtseil mit
sieben verdrillten Heizdrähten
gleichen Durchmessers; und
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6a-d verschiedene Heizdrahtquerschnitte
mit Strömungsverhalten
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1 und 2 zeigen eine querdurchströmten Heizkörper 1,
wie er beispielsweise in einem Wäschetrockner
zum Einsatz kommen kann. Hierzu sind zwischen zwei Seitenteilen 6 parallel,
aber räumlich versetzt
zueinander und darüber
hinaus auch parallel zur Strömungsrichtung 4 dünne, längliche
Trägerplatten 3 aus
Isoliermaterial festgelegt. Jede Trägerplatte 3 ist wendelartig
von einem Heizdrahtseil 2 umwickelt, wobei das Heizdrahtseil
von der Ober- und Unterseite der Trägerplatte 3 beabstandet
geführt
ist und die Trägerplatte 3 lediglich
im Bereich ihrer Schmalseiten 4 berührt, was durch die Eigenstabilität des Heizdrahtseiles
ermöglicht
ist. Zur besseren Führung
des Heizdrahtseiles sind die Schmalseiten dabei mit Rillen 5 versehen.
Der Übersicht
halber ist in 1 und 2 das Heizdrahtseil vereinfacht
dargestellt.
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2 zeigt den Querschnitt
durch den Heizkörper 1 nach 1 mit den Trägerplatten 3 und
den wendelartig gewickelten Heizdrahtseilen 2. Jedes Heizdrahtseil
ist nahezu kreisrund um eine Trägerplatte 3 geführt und
berührt
die Trägerplatte
lediglich an ihren Schmalseiten 4. Diese runde Heizdrahtseilführung ist
durch ihre einfache Handhabbarkeit, gute Eigenstabilität und gleichmäßige Heizdrahtseilerwärmung besonders
bevorzugt. Denkbar wäre
aber auch jedes andere Führungsmuster
wie oval, eckig oder spitz, wobei das Heizdrahtseil 2 selbst
noch gewellt sein kann. Auch diese Führungsmuster weisen die notwendige
Eigenstabilität
ohne zusätzliche
Befestigungsvorrichtungen zwischen Heizdrahtseil und Trägerplatte
auf, die in den verdrillten Heizdrähten begründet ist und zu einer einfachen
und kostengünstigen
Fertigung führt.
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3 zeigt frei tragende Heizvorrichtungen. Grundsätzlich ist
der Aufbau des Heizkörpers
der gleiche wie in 1.
Bei der Ausführung
nach 3 wurde aber gänzlich auf
die Trägerplatten
verzichtet und die Heizdrahtseilwendeln 8 frei tragend
zwischen den Seitenteilen 6 angeordnet. Durch die große Eigenstabilität des Heizdrahtseiles 2 biegt
sich diese Anordnung bei Erwärmung
kaum durch. In dieser beispielhaften Ausführung besteht das Heizdrahtseil 2 entsprechend 6d aus drei verdrillten
Heizdrähten.
Denkbar wäre
aber auch eine größere Anzahl von
Einzeldrähten,
wobei hier die Anzahl 7 besonders bevorzugt ist.
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4 zeigt den Querschnitt
durch eine weitere beispielhafte Heizvorrichtung. In dieser Ausgestaltung
ist das Heizdrahtseil 2 wendelartig gleichzeitig um zwei
parallele Trägerplatten 3 geführt. Das Heizdrahtseil 2 selbst
ist dabei noch unregelmäßig gewellt,
d.h. mit zahlreichen Abbiegungen versehen, wobei das Heizdrahtseil 2 im
Bereich einer konvexen Abbiegung 7 an den Schmalseiten 4 der
Trägerplatten 3 geführt ist.
Auch hier ist das Heizdrahtseil 2 vereinfacht dargestellt.
In diesem Ausgestaltungsbeispiel wird die Oberflächenbelastung durch das durch Wellen
verlängerte
Heizdrahtseil 2 noch weiter reduziert.
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5 zeigt ein Heizdrahtseil
aus sieben runden, verdrillten Heizdrähten 9a-9g. Es hat
sich gezeigt, dass das Heizdrahtseil besonders stabil und bezüglich der
angestrebten turbulenten Strömung günstige Werte
aufweist, wenn das Heizdrahtseil eng verdrillt ist. Dies ist besonders
auch dann erforderlich, wenn das Heizdrahtseil 2 nicht
lediglich rund geführt
ist, sondern mit Abbiegungen, wie beispielsweise in 4, versehen ist. Die Schlagzahl s bei
sieben verdrillten Einzeldrähten
sollte daher kleiner als das 50-fache
des Einzeldrahtdurchmessers sein, bevorzugt kleiner als das 40-fache
und besonders bevorzugt kleiner als das 35-fache. Die Ausführung des Heizdrahtseiles 2 mit
sieben verdrillten Einzeldrähten 9a-9g hat
sich aufgrund der lückenlosen
gegenseitigen Anordnung der Einzeldrähte als besonders stabil und
daher besonders bevorzugt erwiesen.
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Auch
die Ausführung
nach 6c mit einzelnen
Heizdrähten 12a-12c ist
sehr stabil durch die gegenseitige stabile Lage der Heizdrähte und
daher bevorzugt.
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Die 6a-d zeigen den Unterschied
im Strömungsverhalten
bei Flachdraht 10 (6a), Runddraht 11 (6b) und ei nem Heizdrahtseile
mit sieben 9a-9g (6c)
und drei 12a-12c (6d) verdrillten Einzeldrähten.
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Während beim
Vorbeiströmen
des Fluids gemäß 6a und 6b eine laminare Strömung erhalten bleibt, findet
gemäss 6c und 6d eine Verwirbelung statt. Die daraus
resultierende turbulente Strömung
führt zu
einer besseren Wärmeübertragung zwischen
Heizdrahtseil und Fluid und damit zu einem besseren Wirkungsgrad.
Gerade beim Einsatz im Wäschetrockner
ergibt sich dadurch auch der Vorteil, dass die Windungsabstände bei
einem Heizdrahtseil größer gewählt werden
können,
war hier besonders vorteilhaft in Bezug auf die Verflusung ist.
In Bezug auf die Verflusung zeigt sich als weiterer Vorteil, dass ein
Heizdrahtseil nach 6c und 6d im Gegensatz zu einem
Flachbandheizdraht nach 6a keine scharfen
Kanten hat, an denen die Flusen hängen bleiben können.