DE19823505A1 - Vorrichtung zum Erwärmen von Medien - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Erwärmen von Medien, die mindestens einen Behälter zur Aufnahme des Mediums und mindestens ein flächiges Widerstandsheizelement umfaßt, wobei das Widerstandsheizelement an zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters angeordnet ist und dessen Widerstandsmasse ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Medien, insbesondere von Flüssigkeiten.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Erwärmung von Medien, z. B. bei Warm­ wasserboilern erfolgt die Erwärmung des Mediums in einem Behälter dadurch, daß Heizelemente in den Behälter, z. B. in Form von Heizstäben, eingebracht werden. Dabei müssen die Ein- und Austrittsstellen der Heizelemente abgedichtet werden, um ein Entweichen des Mediums zu verhindern. Dies bringt einen erhöh­ ten Konstruktionsaufwand mit sich. Zudem steht das Heizelement bei herkömm­ lichen Vorrichtungen unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Kontakt. Bei einer Beschädigung des Heizelementes kann es somit bei einigen Medien wie z. B. Wasser zusätzlich zu einem Sicherheitsrisiko kommen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Medien schnell und zuverlässig erwärmt werden können und bei der keine Pro­ bleme bezüglich der Dichtigkeit des Behälters und einer Einwirkung des Medi­ ums auf das Heizelement bestehen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgabe durch eine Vor­ richtung gelöst werden kann, bei der ein geeignetes Heizelement zum Erwärmen des Mediums außerhalb des Behälters angeordnet ist und ein gezieltes Eindringen der erzeugten Wärme in den Behälter erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Erwärmen von Medien gelöst, die mindestens einen Behälter zur Aufnahme des Mediums, und mindestens ein flächiges Widerstandsheizelement umfaßt, wobei das Wider­ standsheizelement an zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters ange­ ordnet ist und dessen Widerstandsmasse ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich das Heizelement außerhalb des Behälters, wodurch der Behälter neben einer Öffnung zum Befüllen und Entleeren keine weiteren Öffnungen aufzuweisen braucht und die Dichtigkeit des Behälters somit ohne konstruktiven Aufwand gewährleistet werden kann. Wei­ terhin bestehen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Sicherheitsrisiken. Das elektrische Widerstandsheizelement tritt mit dem zu erwärmenden Medium nicht in Kontakt. Ein Eindringen des Mediums in das Heizelement und dadurch verursachte Kurzschlüsse oder Beschädigungen des Widerstandsheizelementes können somit vermieden werden.

Zudem dient bei Verwendung eines elektrisch leitenden Polymers das Wider­ standsheizelement als schwarzer Körper, der Strahlungen aller Wellenlängen ab­ geben kann. Mit abnehmender Temperatur verschiebt sich die Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung immer mehr zum Infrarot. Diese Infrarot-Strahlung kann somit in den Behälter eindringen und das darin befindliche Medium erwärmen. Durch die Tiefenwirkung sind in dem Heizelement selber keine besonders hohen Temperaturen erforderlich. Insbesondere bei der Erwärmung von z. B. Wasser wird das Ausfallen von Kalk und anderen Mineralsalzen dadurch vermieden.

Durch die Wahl einer Widerstandsmasse, die ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, kann das Widerstandsheizelement auch mechanischen Belastungen standhalten. Die Polymere weisen eine solche Flexibilität auf, daß sie auch unter Belastung nicht zu Abrissen in der Widerstandsmasse neigen, wodurch eine loka­ le Überhitzung auftreten würde.

Mit dieser Widerstandsmasse kann somit ein flächiges Widerstandsheizelement realisiert werden, das über große Bereiche der Fläche zuverlässig Wärme abge­ ben kann. Diese gleichmäßige Wärmeabgabe über eine große Fläche ist insbe­ sondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil, da das Medium im Behälter gleichmäßig erwärmt wird.

Die Verwendung eines Widerstandsheizelementes, dessen Widerstandsmasse ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, hat weiterhin den Vorteil, daß dieses auch bei niedrigen Spannungen ausreichend Wärme erzeugt. Mit dem erfindungsge­ mäß verwendeten Widerstandsheizelement können bei geringen Spannungen Leistungen bis zu 30 kW/m² auch im Langzeitbetrieb erzielt werden.

Das Widerstandsheizelement kann eine Form aufweisen, in der es mindestens zwei Elektroden umfaßt, die sich in Längsrichtung durch die Fläche der Wider­ standsmasse erstrecken, wobei der an den Elektroden angelegte Strom die Wi­ derstandsmasse senkrecht zu der Dicke der Widerstandsmasse durchfließt. Als Elektroden werden im Folgenden die Teile des Widerstandsheizelementes be­ zeichnet, die der Stromzu- oder -abführung zu bzw. von der Widerstandsmasse dienen. Die Elektroden können sich auch in Breitenrichtung durch die Fläche der Widerstandsmasse erstrecken. Die Verwendung eines solchen Widerstandsheize­ lementes bringt den Vorteil mit sich, daß die Widerstandsmasse, die zwischen den Elektroden liegt und sich beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden erwärmt, unmittelbar mit der Außenfläche des Behälters in Kontakt steht. Wär­ meverluste können so minimiert werden.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Widerstandsmasse ein Gitter umfassen, wobei die Fäden des Gitters aus einem Kunststoff aus dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sind oder die Fäden des Gitters aus einem anderen Material besteht und mit diesem Kunststoff beschichtet sind. Dieses Gitter läßt sich aufgrund seiner Flexibilität leicht an der Außenwand des Behälters anord­ nen. Hierdurch kann ein guter Kontakt zwischen dem Behälter und dem Wider­ standsheizelement hergestellt und der Wärmeübergang zwischen Behälter und Widerstandsheizelement noch verbessert werden. Zudem weist das Gitter eine gewisse Flexibilität auf. Baucht sich der Behälter aufgrund der Befüllung mit dem Medium oder aufgrund der Erwärmung des Mediums aus, so kann das Gitter diese mechanische Belastung aufnehmen, ohne daß es zu einer ungleichmäßigen Wärmeabgabe über die Fläche kommen würde. Zum einen lassen die in einem Gitter definierten Kreuzungspunkte keine Relativänderung im Abstand zwischen den einzelnen Fäden des Gitters zu und zum anderen besteht durch das gewählte Material, das ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, nicht die Gefahr des Abris­ ses der Fäden und damit der elektrischen Leitung. Auch bei mechanischer Bela­ stung kann also eine lokale Temperaturerhöhung nicht auftreten und es erfolgt weiterhin eine gleichmäßige Wärmeabgabe über die Fläche des Gitters.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Widerstandsheizelement zwei flächige Elektroden umfassen, zwischen denen die Widerstandsmasse in Form einer Schicht angeordnet ist, wobei die Elektroden diese zumindest teilweise be­ decken und zumindest eine der Elektroden der Außenwand des Behälters zuge­ wandt ist. Bei dieser Ausführungsform durchfließt der Strom, der an die Elektro­ den angelegt wird, den Schichtwiderstand im wesentlichen in der Dicke. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem gut leitenden Material. Örtliche Überhitzungen können durch die gute Wärmeleitfähigkeit der Elektroden abgelei­ tet werden. Überhitzungen können somit nur in Richtung der Schichtdicke auftre­ ten und wirken sich aber aufgrund der geringen Schichtdicke bei dem flächigen Widerstandsheizelement nicht negativ aus. Ein weiterer Vorteil eines solchen Aufbaus des Widerstandsheizelementes in der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß dadurch auch eine von außen, z. B. vom Behälter hervorgerufene lokale Temperaturerhöhung durch das Widerstandsheizelement ideal ausgegli­ chen werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform umfaßt der Schichtwiderstand eine Kunststoff- Matrix aus dem elektrisch leitenden Polymer mit einem positiven Temperatur­ koeffizienten des elektrischen Widerstandes und ein in der Matrix fein verteiltes, thermisch und elektrisch isolierendes Füllmaterial. Durch diesen Aufbau fungiert der Schichtwiderstand zugleich als Abstandhalter zwischen den Elektroden. Das Füllmaterial bewirkt weiterhin, daß der Stromfluß nicht den kürzesten Weg zwi­ schen den Elektroden nehmen kann, sondern an dem Füllmaterial abgelenkt oder aufgespalten wird. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung der zugeführten Energie erzielt.

Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrisch leitende Polymer der Wider­ standsmasse des Widerstandsheizelementes einen positiven Temperaturkoeffizi­ enten des elektrischen Widerstandes auf. Hierdurch wird ein Selbstregeleffekt bezüglich der maximal erreichbaren Temperatur erzielt. Dieser Effekt ist dadurch bedingt, daß aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes der Widerstandsmasse der Stromfluß durch die Widerstandsmasse sich in Abhängigkeit von der Temperatur regelt. Je höher die Temperatur an­ steigt, um so geringer wird die Stromstärke, bis sie schließlich bei einem be­ stimmten thermischen Gleichgewicht unmeßbar klein ist. Eine lokale Überhit­ zung und ein Durchbrennen der Widerstandsmasse kann daher zuverlässig verhin­ dert werden. Dieser Selbstregeleffekt ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung von großer Bedeutung, da es bei ungenügendem Kontakt eines Teils des Wider­ standsheizelementes, z. B. durch Ablösen vom Behälter, zu einem schlechten Wärmeübergang auf die Außenseite des Behälters kommen kann. Auch in dem Fall, daß der Behälter nur teilweise mit dem Medium befüllt ist, kann die erzeug­ te Wärme in den unbefüllten Bereichen schlecht abgeführt werden und es ist da­ her wichtig, den Selbstregeleffekt der Widerstandsmasse der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausnutzen zu können, um lokale Überhitzungen zu vermeiden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt diese zwei Behälter, zwischen denen ein Widerstandsheizelement so an­ geordnet ist, daß die eine Oberfläche des Widerstandsheizelementes an der Au­ ßenseite des einen Behälters und die gegenüberliegende Oberfläche des Wider­ standsheizelementes an der Außenseite des anderen Behälters angeordnet ist. Vorteil dieser Ausführungsform ist es, daß die Wärmeverluste minimiert werden können. Das Widerstandsheizelement gibt Wärme in alle Richtungen ab. Durch das Anordnen der beiden Behälter an jeweils einer Oberfläche des flächigen Wi­ derstandsheizelementes wird somit der größte Teil der erzeugten Wärme an die Behälter und damit an das zu erwärmende Medium abgegeben. Die Anordnung des Widerstandsheizelementes zwischen den beiden Behältern hat zusätzlich den Vorteil, daß das Widerstandsheizelement an die Behälter angepresst wird, wenn sich diese durch das Befüllen oder durch die Erwärmung ausdehnen. Ein Ablösen des Widerstandsheizelementes von der Behälteraußenseite wird damit vermieden und der Kontakt zwischen dem Widerstandsheizelement und den Behältern noch verbessert, wodurch auch der Wärmeübergang optimiert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich­ tung mindestens zwei Behälter, die so miteinander verbunden sind, daß das Me­ dium die Behälter nacheinander durchfließen kann. Bei dieser Ausführungsform kann das Medium in einem ersten Behälter vorgewärmt und in einem zweiten oder weiteren Behälter auf die Solltemperatur aufgeheizt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mindestens zwei Behälter umfas­ sen, die Einrichtungen aufweisen, die ein separates Befüllen und Entleeren je­ weils eines Behälters erlauben. Vorteil dieser Ausführungsform ist die rasche Verfügbarkeit der gesamten erwärmten Menge des Mediums.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt ei­ nen Wassererwärmer dar. Bei dieser Verwendung der Vorrichtung können die Vorteile der Erfindung besonders ausgenutzt werden. So kann das Wasser ohne Risiken besonders rasch erhitzt und ein Verkalken vermieden werden. Zudem erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine flache Bauweise, die sowohl Platzersparnis als auch eine gleichmäßige Erwärmung des Wassers mit sich bringt. Bei einer flachen Ausgestaltung wird vorzugsweise eine der Oberflächen des Behälters vollständig von einem Widerstandsheizelement bedeckt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren, die die Aus­ führungsformen der Erfindung schematisch darstellen, beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: Perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Behältern und dazwischen angeordnetem Wider­ standsheizelement;

Fig. 2: Perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit git­ terartigem Widerstandsheizelement;

Fig. 3: Perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit einem Widerstandsheizelement mit flä­ chigen Elektroden.

Fig. 4: Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit flächigen Elektroden;

Fig. 5: Seitenansicht eines erfindungsgemäß verwendeten Widerstandsheize­ lementes mit zwei Elektroden und mehreren leitenden Schichten.

In Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus zwei Behältern 21, 22. Zwischen diesen Behältern 21, 22 ist das Widerstandsheizelement 3 angeord­ net. Die gezeigte Ausführungsform weist eine flache Konstruktion auf, bei der das Widerstandsheizelement 3 an einer flachen Seite der Behälter 21, 22 anliegt und diese weitestgehend bedeckt.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der die Wider­ standsmasse 33 des Widerstandsheizelementes 3 einen gitterartigen Aufbau be­ sitzt. Das Widerstandsheizelement 3 ist an einer Seite des Behälters 2 angeordnet und bedeckt dort die Außenwand weitestgehend. Die Elektroden 31, 32 erstrecken sich in Längsrichtung durch die Widerstandsmasse 33, wodurch der an ihnen angelegte Strom die Widerstandsmasse 33 senkrecht zur Dicke der Widerstands­ masse 33 durchfließt. Diese Richtung ist in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet. Der Behälter 2 weist weiterhin eine Befühleinrichtung 23 für das Zuführen des zu erwärmenden Mediums und eine Entleereinrichtung 24 zum Abführen des er­ wärmten Mediums auf. Wie in Fig. 2 gezeigt erstrecken sich die Elektroden 31, 32 über das Widerstandsheizelement 3 und den Behälter 2 hinaus, wodurch der Anschluß der Elektroden 31, 32 an die Stromversorgungsquelle (nicht dargestellt) ermöglicht wird.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der ein flächiges Widerstandsheizelement 3 mit flächigen Elektroden 33, 34 verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform liegt die Elektrode 34 an der Außenwand des Behälters 2 an und bedeckt diese Seite des Behälters wei­ testgehend. Auf der Elektrode 34 ist der Schichtwiderstand 33 angeordnet. Dieser besteht aus einer Kunststoffmatrix 35 aus elektrisch leitendem Polymer und weist fein verteilten, thermisch und elektrisch isolierenden Füllstoff 36 auf. Auf dem Schichtwiderstand 33 ist die zweite Elektrode 33 angeordnet, die diesen bedeckt.

In Fig. 4 ist auf dem Behälter 2 eine elektrisch leitende Schicht 37 angeordnet, die von einem Schichtwiderstand 33 bedeckt ist. Auf diesem Schichtwiderstand 33 sind zwei äußere flächige Elektroden 38, 39 von einander beabstandet ange­ ordnet.

Wird bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform Strom an die Elektroden 31, 32 angelegt, so fließt dieser durch die Widerstandsmasse 33, die elektrisch leiten­ des Polymer umfaßt, und erwärmt diese. Die so erzeugte Wärme dringt über die Außenwand des Behälters 2 in das Innere ein und erwärmt das darin befindliche Medium. Durch die flächige Ausgestaltung des Widerstandsheizelementes 3 kann die erzeugte Wärme über eine große Fläche an den Behälter und damit das Medi­ um abgegeben werden.

Aufgrund der Flexibilität des Widerstandsheizelementes 3, insbesondere bei der Ausführungsform, in der die Widerstandsmasse 33 gitterartig ist, kann sich dieses auch an Oberflächen anlegen, die nicht eben sind. Der Behälter kann somit auch andere Formen als die gezeigte aufweisen.

Besteht die Widerstandsmasse aus einem Gitter, dessen Fäden mit dem elektrisch leitenden Polymer beschichtet sind, so können diese Fäden als Grundmaterial Carbon-, Glas- oder Metallfasern oder Kunststoffasern z. B. aus Polyamid oder Polyester umfassen. Bei der so gebildeten Widerstandsmasse bestehen die Fäden des Gitters aus einer Mehrzahl fadenförmiger Trägermaterialien, z. B. Carbonfa­ sern und bzw. oder Glas- oder Metallfasern, die in das elektrisch leitende Poly­ mer eingearbeitet bzw. mit diesem beschichtet sein können. Werden Carbonfa­ sern verwendet, so ist es möglich, diese sowohl zur Verstärkung als auch zur Stromleitung zu verwenden, während beim Einsatz von Glasfasern gegebenen­ falls aber auch kombiniert mit den Carbonfasern zu Erzielung einer besseren Leitfähigkeit Metallfasern, beispielsweise aus Kupfer oder ähnlich gut leitendem Material mit eingebettet sein können. Durch eine unterschiedliche Anzahl der in den Gitterfäden angeordneten fadenförmigen Trägermaterialien wird eine unter­ schiedliche Leitfähigkeit erreicht. Die Elektroden können als Lahnbänder ausge­ staltet sein.

Bei der Ausführungsform, bei der die Widerstandsmasse gitterartig aufgebaut ist und die Fäden des Gitters aus dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sind, kann der Durchmesser der Fäden des Gitters, die parallel zu den Elektroden ver­ laufen, kleiner als der Durchmesser der Fäden, die senkrecht zu diesen verlaufen sein. Durch diese Querschnittsverteilung kann ein gleichmäßiger Stromdurch­ gang über die gesamte Fläche der Widerstandsmasse erzielt werden. Dieser gleichmäßige Stromdurchgang kann auch durch geeignete Wahl des Materials der Fäden erzielt werden. Hierbei wird das Material für die Fäden, die senkrecht zu den Elektroden verlaufen, so gewählt, daß dieses einen höheren Leitwert auf­ weist, als das der parallel zu diesen verlaufenden Fäden. Der Stromfluß durch die Fäden oder deren Beschichtung wird somit geregelt und verteilt sich ideal über die gesamte Fläche. Als Widerstandsmasse kann auch ein Stützgewebe, z. B. aus Kunststoff, das mit dem elektrisch leitenden Polymer auf beiden Seiten bestri­ chen wurde und so durchgehende Schichten auf dem Stützgewebe erhalten wur­ den, dienen.

Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie diese schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, durchfließt der Strom die Widerstandsmasse in Dickenrich­ tung des Widerstandsheizelementes, wenn die Elektroden an eine Stromquelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden. Die erzeugte Wärme wird an den Behälter und damit das Medium abgegeben. Die verwendeten Füllstoffe können Glas, Steinwollfasern, Keramiken oder Kunststoff sein. Es liegt auch im Sinne der Er­ findung, die Widerstandsschicht des Heizelements durch mit elektrisch leitendem Polymer versehenen Glasfasern zu bilden. So kann die Widerstandsschicht bei­ spielsweise eine Glasfasermatte umfassen, die mit elektrisch leitendem Polymer durch Eintauchen getränkt wurde. Weiterhin können Widerstandschichten ver­ wendet werden, die Keramikpartikel wie z. B. Barium-Titanat umfassen. Trotz dieser Keramik kann der Temperaturkoeffizient der erfindungsgemäß verwende­ ten Widerstandsmasse des elektrischen Widerstandes negativ sein.

Bei einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes wird ein sehr geringer Einschaltstrom benötigt. Zudem regelt sich die erfindungs­ gemäß verwendete Widerstandsmasse bei einer Temperatur von etwa 80°C zu­ rück, so daß ab dieser Temperatur der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes positiv wird.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind auf der dem Behälter abge­ wandten Seite zwei flächige Elektroden angeordnet und durch eine Isolation voneinander getrennt. Diese Isolation kann durch Vorsehen eines Isolationsstückes aus Isoliermaterial oder durch Luft erfolgen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsmasse, die dem Behälter zugewandt ist, wird eine Schicht aus elektrisch leitendem Material z. B. in Form einer Metallfolie oder Metallblech aufgebracht. Diese elektrisch leitende Schicht wird nicht an die Stromquelle an­ geschlossen. Werden bei dieser Ausführungsform die beiden flächigen Elektro­ den an eine Stromquelle angeschlossen, so fließt der Strom von der einen kon­ taktierten Elektrode durch die Dicke der Widerstandsmasse zu der elektrisch lei­ tenden Schicht, wird in dieser weitergeleitet und fließt durch die Widerstands­ masse zurück zu der zweiten kontaktierten Elektrode. Ein solcher Aufbau des Widerstandsheizelementes bringt den Vorteil, daß dieses durch eine sehr geringe Spannung betrieben werden kann. Die Spannung kann bis zu der Hälfte der Spannung, die beim Aufbau mit zwei flächigen Elektroden, die die Widerstands­ masse zwischen sich einschließen, benötigt wird, reduziert werden. Die Verringe­ rung der Versorgungsspannung ist unter anderem auf den durch die Isolierung zwischen den benachbarten Elektroden gebildeten Widerstand zurückzuführen. Wird als Isolierung Luft gewählt, so wird der Widerstand durch den Abstand der Elektroden zueinander und damit durch den Oberflächenwiderstand bestimmt. Insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Hei­ zen von Medien als Warmwasserboiler ist ein Betreiben mit sehr geringer Span­ nung von besonderem Vorteil, da hierdurch das Sicherheitsrisiko minimiert wer­ den kann. Die Anordnung der beiden mit der Stromquelle kontaktierten Elektro­ den auf einer Seite des Schichtwiderstandes hat weiterhin zum Vorteil, daß der Kontakt zwischen dem Behälter und der elektrisch leitenden Folie oder Blech nicht durch Einrichtungen zur Stromversorgung gestört wird.

In Fig. 5 ist ein Widerstandsheizelement gezeigt, bei dem eine dünne Wider­ standsschicht 33 vorliegt. Auf beiden Seiten der Widerstandsschicht 33 sind je­ weils eine flächige Elektrode 38, 39 und mehrere leitende Schichten 37 angeord­ net. Die Elektroden 38, 39 sind jeweils am gegenüberliegenden Ende der Wider­ standsschicht 33 vorgesehen. Die Elektrode 38 und die leitenden Schichten 37 sind voneinander beabstandet und zu der an der gegenüberliegenden Seite der Widerstandsschicht 33 angeordneten Elektrode 39 und den leitenden Schichten 37 versetzt. Der an die Elektroden 38, 39 angelegte Strom durchfließt bei diesem Aufbau die Widerstandsschicht 33 und die leitenden Schichten 37 in der Rich­ tung, die in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Bei diesem Stromfluß dient die Widerstandsschicht 33 als eine Serienschaltung mehrerer elektrischer Widerstände, wodurch eine hohe Leistung erzielt werden kann. Hierbei wird so­ wohl der Widerstand in der Dicke der Widerstandsschicht 33, als auch der Ober­ flächenwiderstand in den Abständen zwischen den elektrisch leitenden Schichten 37 bzw. der elektrisch leitenden Schicht 37 und der Elektrode 38 bzw. 39 genutzt.

Zudem bietet der große räumliche Abstand zwischen den Elektroden den Vorteil, daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen diesen vermieden werden kann. Als Elektroden und elektrisch leitende Schichten können Metallfolien oder -bleche dienen. Insbesondere bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des Wi­ derstandsheizelementes kann die Widerstandsschicht sehr dünn sein und eine Dicke von z. B. 1 mm aufweisen. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung das in Fig. 5 gezeigte Widerstandsheizelement so abzuwandeln, daß beide Elektroden auf einer Seite der Widerstandsschicht angeordnet sind. Bei dieser Ausführungs­ form befinden sich die leitenden Schichten voneinander beabstandet zwischen den an den Enden der Widerstandsschicht angeordneten Elektroden. Auf der ge­ genüberliegenden Seite der Widerstandsschicht sind die leitenden Schichten dazu versetzt und voneinander beabstandet angeordnet. Auch bei dieser Anordnung sind somit selbst bei geringer Schichtdicke der Widerstandsschicht hohe Leistun­ gen durch die Nutzung der Widerstandsschicht als Serienschaltung mehrerer Wi­ derstände und der gleichzeitigen Nutzung des Oberflächenwiderstandes erzielbar.

Auch bei Widerstandsheizelementen, wie in Fig. 3 und 4, dargestellt sind dünne Widerstandsschichten möglich. Diese müssen aber einen hochohmigen elektrischen Widerstand aufweisen.

Zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen der Widerstandsmasse und den Elektroden kann die Widerstandsmasse im Bereich der Elektroden mit einer aufgespritzten Schicht aus Metall versehen sein. Bei der Ausführungsform, bei der die Widerstandsmasse in Form einer Schicht vorliegt, wird die Oberfläche der Schicht mit Metall bespritzt und anschließend die flächige Elektrode aufge­ bracht. Ist die Masse gitterartig aufgebaut, so kann der Bereich des Gitters, durch den sich die Elektroden erstrecken sollen, vor dem Einbringen der Elektroden mit Metall bespritzt werden.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform können sowohl ein flächiges Wi­ derstandsheizelement, bei dem der Stromfluß über die Fläche der Widerstands­ masse erfolgt, als auch ein flächiges Widerstandsheizelement, das in der Dicken­ richtung vom Strom durchflossen wird, eingesetzt werden. Das Widerstandsheiz­ element ist so zwischen den Behältern angeordnet, daß eine möglichst große Fläche der Außenwände der Behälter von dem Widerstandsheizelement bedeckt wird. Beim Anlegen einer Spannung gibt das Widerstandsheizelement Wärme in alle Richtungen ab und erwärmt somit gleichzeitig das Medium der beiden Behäl­ ter. Durch diese Anordnung wird die Erwärmung einer großen Menge des Medi­ ums mit geringem Stromverbrauch gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Behälter umfassen, wobei vorzugsweise Widerstandsheizelemente so angeordnet sind, daß diese an zwei Behälter Wärme abgeben können. Der Fluß des zu erwärmenden Mediums kann so geführt werden, daß dieser jeweils nur einen oder mehrere Behälter durchströmt.

Die Widerstandsmasse wirkt zudem als "schwarzer Strahler". Die Strahlung im Infrarot-Bereich führt bei Behältern, die aus einem Material bestehen, das diese Strahlung transmittiert, z. B. Glas oder Kunststoff, zu einer Erwärmung des Me­ diums im Inneren des Behälters. Hierbei treten keine hohen Temperaturen an der Kontaktfläche des Widerstandsheizelementes an der Außenwand des Behälters auf. Unerwünschte Zersetzungsprozesse im Medium werden somit vermieden. Die Tiefenwirkung des Widerstandsheizelementes hat zudem den Vorteil, daß das Medium gleichmäßig erwärmt wird.

Die Einrichtungen zum Befüllen und Entleeren können je nach Bedarf an ver­ schiedenen Stellen des Behälters angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie so an­ geordnet sein, daß sie einen größtmöglichen Abstand zu den Anschlüssen der Elektroden aufweisen. Dadurch kann auch bei eventuellen Undichtigkeiten des Einrichtungen ein Kontakt des Mediums mit den Elektroden und daraus resultie­ rende Nachteile ausgeschlossen werden. Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann zwischen dem Widerstandsheizelement und der Außenwand des Behälters eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein. Für diese Schicht wird vorzugs­ weise Polyester, Polyimid oder Polytetrafluorethylen verwendet.

Bevorzugt hat der Behälter die Form eines Quaders, bei dem die Höhe und Länge des Behälters groß im Verhältnis zu dessen Breite ist. Diese Form des Behälters erlaubt bei einem flächigen Widerstandsheizelement eine große Kontaktfläche mit dem Behälter und ein günstiges Verhältnis zwischen dieser Kontaktfläche und dem Volumen des Behälters. Die Heizfläche ist im Verhältnis zu dem Volu­ men des zu erwärmenden Mediums groß, wodurch eine schnelle und gleichmäßi­ ge Erwärmung erfolgen kann. Der Behälter kann aber auch z. B. einen runden Querschnitt aufweisen. Um diesen zylinderförmigen Behälter kann ein weiterer Behälter, der einen ringförmigen Querschnitt hat, angeordnet sein und das Wi­ derstandsheizelement in einem dadurch gebildeten Spalt zwischen den Behältern vorgesehen sein.

Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, daß die Seitenwände des Behälters vollständig mit dem Widerstandsheizelement bedeckt sind. Hierbei wird die Wärme von allen Seiten in den Behälter abgegeben und das Medium schnell auf­ geheizt.

Sind mehrere Behälter vorgesehen, die nacheinander von dem Medium durch­ flossen werden sollen, so können diese übereinander angeordnet sein, wobei die Einrichtung zum Entleeren des oberen Behälters an dessen Unterseite mit der Einrichtung zum Befüllen eines darunter angeordneten Behälters an dessen Ober­ seite verbunden ist. Sind die Behälter nebeneinander angeordnet, so kann der Medienfluß über Pumpen, die außerhalb der Behälter angeordnet sein können, bewirkt werden.

Die Behälter können aus Metall, Glas oder Kunststoff bestehen. Bevorzugt wird Polycarbonat verwendet. Durch die geringe Temperatur am Widerstandsheizele­ ment, die aufgrund der Tiefenwirkung der Widerstandsheizelemente ausreicht um das Medium zu erwärmen, besteht selbst bei der Verwendung von Kunststoffbe­ hältern keine Gefahr des Aufschmelzens des Behälters.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr geringe Gesamtdicken aufweisen. So ist z. B. ein Warmwasserboiler mit einer Dicke von nur 8 cm mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung herstellbar. Diese geringe Dicke erlaubt ein Anbrin­ gen der Vorrichtung z. B. hinter Verblendungen in Küchen oder Badeausstattung.

Als elektrisch leitendes Polymer können insbesondere solche Polymere verwen­ det werden, die durch ein Verfahren erhalten werden, bei dem Polymer- Dispersionen, Polymer-Lösungen oder Polymere mit Metall- oder Halbmetall­ verbindungen oder deren Lösung in einer Menge versetzt werden, so daß auf ein Polymer-Molekül annähernd ein Metall- oder Halbmetallatom kommt. Dieser Mischung wird ein Reduktionsmittel in geringem Überschuß zugegeben oder durch bekannte thermische Zersetzung Metall- oder Halbmetallatome gebildet. Anschließend werden die gebildeten oder noch vorhandenen Ionen ausgewaschen und die Dispersionslösung oder das Granulat kann mit Graphit oder Ruß versetzt werden. Dadurch, daß eingebettete Leiterteilchen, z. B. Graphit, sich nicht berüh­ ren müssen, wenn ein wie oben beschrieben hergestelltes elektrisch leitendes Polymer verwendet wird, ist ein aus dem elektrisch leitenden Polymer mit Gra­ phit hergestellter Verbundstoff nicht nur mechanisch widerstandsfähig, sondern es ist auch die Leitfähigkeit unabhängig von einer mechanischen oder thermi­ schen Beanspruchung. Diese Unabhängigkeit der Leitfähigkeit ist insbesondere bei der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung, da sowohl mechani­ sche als auch thermische Beanspruchungen des Widerstandsheizelementes an der Erwärmungsvorrichtung wie oben beschrieben z. B. durch Ausbauchen der Behäl­ ter auftreten können.

Die erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymere sind vorzugs­ weise frei von Ionen. Wie sich gezeigt hat, besitzen Polymere, die Ionen enthal­ ten, eine nur geringe Alterungsbeständigkeit bei Einwirkung von elektrischen Strömen. Das erfindungsgemäß verwendete elektrisch leitende Polymer hingegen ist auch bei längerer Beaufschlagung mit Strom alterungsbeständig. Als Reduktions­ mittel für das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung eines erfindungs­ gemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymers werden solche Reduktionsmit­ tel verwendet, die entweder keine Ionen bilden, weil sie thermisch bei der Verar­ beitung zersetzt werden, wie z. B. Hydrazin, oder mit dem Polymer selbst che­ misch reagieren, wie z. B. Formaldehyd oder solche, deren Überschuß oder Reak­ tionsprodukte sich leicht auswaschen lassen, wie z. B. Hypophosphite. Als Metall oder Halbmetalle werden vorzugsweise Silber, Arsen, Nickel, Graphit oder Mo­ lybdän verwendet. Besonders bevorzugt sind solche Metall oder Halbmetallver­ bindungen, die durch reine thermische Zersetzung das Metall oder Halbmetall ohne störende Reaktionsprodukte bilden. Insbesondere Arsenwasserstoff oder Nickelcarbonyl haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Es können sowohl elektrisch leitende Polymerisate wie Polystyrol, Polyvinylharze, Polyacrylsäure- Derivate und Mischpolymerisate derselben, als auch elektrisch leitende Polyami­ de und deren Derivate, Polyfluorkohlenwasserstoffe, Epoxyharze und Polyuret­ hane erzeugt werden.

Die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere können z. B. hergestellt werden indem das Polymer mit 1-10 Gew.-% (bezogen auf das Poly­ mer) einer Vormischung, die nach einer der folgenden Rezepturen hergestellt wurde, versetzt wird.

Beispiel 1

1470 Gew.-Teile Dispersion von Fluorkohlenwasserpolymer (55% Feststoff in Wasser), 1 Gew.-Teil Netzmittel, 28 Gew.-Teile Silberni­ tratlösung 10%, 6 Gew.-Teile Kreide, 8 Gew.-Teile Ammoniak, 20 Gew.-Teile Ruß, 214 Gew.-Teile Graphit, 11 Gew.-Teile Hydrazinhy­ drat.

Beispiel 2

1380 Gew.-Teile Acrylharzdispersion 60 Gew.-% in Wasser, 1 Gew.- Teil Netzmittel, 32 Gew.-Teile Silbernitratlösung 10%ig, 10 Gew.- Teile Kreide, 12 Gew.-Teile Ammoniak, 6 Gew.-Teile Ruß, 310 Gew.-Teile Graphit, 14 Gew.-Teile Hydrazinhydrat.

Beispiel 3

2200 Gew.-Teile dest. Wasser, 1000 Gew.-Teile Styrol (monomer), 600 Gew.-Teile Ampholytseife (15%ig), 2 Gew.-Teile Natriumpyro­ phosphat, 2 Gew.-Teile Kaliumpersulfat, 60 Gew.-Teile Nickelsulfat, 60 Gew.-Teile Natriumhypophospit, 30 Gew.-Teile Adipinsäure, 240 Gew.-Teile Graphit.

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zum Erwärmen von Medien, die mindestens einen Behälter (2) zur Aufnahme des Mediums, und mindestens ein flächiges Wider­ standsheizelement (3) umfaßt, wobei das Widerstandsheizelement (3) an zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters (2) angeordnet ist und dessen Widerstandsmasse (33) ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider­ standsheizelement (3) mindestens zwei Elektroden (31, 32) umfaßt, die sich in Längsrichtung durch die Fläche der Widerstandsmasse (33) erstrecken, wobei der an den Elektroden (31, 32) angelegte Strom die Widerstandsmasse (33) senkrecht zu der Dicke der Widerstandsmasse (33) durchfließt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider­ standsmasse (33) ein Gitter umfaßt, wobei die Fäden des Gitters aus einem Kunststoff aus dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sind oder die Fäden des Gitters aus einem anderen Material bestehen und mit diesem Kunststoff beschichtet sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider­ standsheizelement (3) mindestens zwei flächige Elektroden (33, 34) umfaßt, zwischen denen die Widerstandsmasse (33) in Form einer Schicht angeordnet ist, die Elektroden (33, 34) diese zumindest teilweise bedecken und zumin­ dest eine der Elektroden (33, 34) der Außenwand des Behälters (2) zuge­ wandt ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwi­ derstand eine Kunststoff-Matrix (35) aus dem elektrisch leitenden Polymer und ein in der Matrix (35) fein verteiltes, thermisch und elektrisch isolieren­ des Füllmaterial (36) umfaßt.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektrisch leitende Polymer einen positiven Temperatur­ koeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese zwei Behälter (21, 22) umfaßt und ein Widerstandsheiz­ element (3) so zwischen den Behältern (21, 22) angeordnet ist, daß die eine Oberfläche des Widerstandsheizelementes (3) an der Außenseite des einen Behälters (21) und die gegenüberliegende Oberfläche des Widerstandsheiz­ elementes (3) an der Außenseite des anderen Behälters (22) angeordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese mindestens zwei Behälter (21, 22) umfaßt, die so mitein­ ander verbunden sind, daß das Medium die Behälter (21, 22) nacheinander durchfließt.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens zwei Behälter (21, 22) umfaßt, die Einrichtungen (23, 24) aufweisen, die ein separates Befüllen und Entleeren jeweils eines Behäl­ ters (21, 22) erlauben.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese einen Wassererwärmer darstellt.