DE4008329C1 - Electric water heater - has resistance heater embedded in electrically insulating material, esp. magnesium oxide - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Wassererhitzer mit einem Wasser­ behälter und einem in dem Wasserbehälter angeordneten Rohrheizkörper, wobei der Rohrheizkörper ein Schutzrohr und eine in dem Schutzrohr angeordnete Widerstandsheizung aufweist, das Schutzrohr aus einem anodisch passivierba­ ren, elektrisch leitenden Material besteht, in dem Wasserbehälter eine Gegen­ elektrode vorgesehen ist oder der Wasserbehälter oder ein Teil des Wasser­ behälters eine Gegenelektrode bildet und zwischen dem Schutzrohr und der Ge­ genelektrode betriebsmäßig eine Schutzspannung anliegt und das Schutzrohr dabei als Anode geschaltet ist.

Der bekannte elektrische Wassererhitzer, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. die DE-OS 31 05 922), weist als Rohrheizkörper eine haarnadelförmige Heiz­ schleife auf, die an beiden Enden aus dem Wasserbehälter herausgeführt ist. Das Schutzrohr des Rohrheizkörpers besteht aus einem anodisch passivierbaren Material, z. B. aus Titan, und ist außen mit einer Aktivierungsbeschichtung aus Platin versehen.

Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Schutzrohr und der von einem Teil der Behälterwandung gebildeten Gegenelektrode werden Kalkablagerungen am Schutzrohr des Rohrheizkörpers verhindert. Durch die zusätzliche Akti­ vierungsbeschichtung hat das Schutzrohr gleichzeitig die Funktion einer Inert­ anode für den kathodischen Korrosionsschutz des Wasserbehälters.

Bei dem bekannten elektrischen Wassererhitzer wird einerseits mit Schutz­ stromdichten von wenigen µA/cm² gearbeitet, begrenzt man andererseits die Heizleistung der Widerstandsheizung auf relativ niedrigem Niveau, nämlich auf Werte um 2 bis 3 W/cm². Die an sich mögliche Heizleistung einer Wider­ standsheizung wird also nur begrenzt ausgenutzt, was relativ lange Aufheiz­ zeiten zur Folge hat.

Der Lehre der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten elek­ trischen Wassererhitzer so auszugestalten und weiterzubilden, daß er er­ heblich vielfältiger eingesetzt werden kann.

Der erfindungsgemäße elektrische Wassererhitzer, bei dem die zuvor aufge­ zeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr und die Gegenelektrode auf eine Schutzstromdichte von mindestens 50 bis 70 µA/cm² ausgelegt sind. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine hohe Stromdichte des Schutzstroms eine Vielzahl von Vorteilen hat. Durch die hohe Strombelastung des Rohrheizkörpers wird eine Kalkabscheidung auf seiner Oberfläche vollständig vermieden. Gleichzeitig wird aber auch eine ansonsten durch eine hohe Temperatur des Wassers im Wasserbehälter verursachte Ausfäl­ lung von Kalk im Wasserbehälter vermieden. Dadurch kann der erfindungsgemäße elektrische Wassererhitzer auch im Rahmen von Waschmaschinen oder Spülma­ schinen eingesetzt werden. Entsprechende Einsatzgebiete gibt es auch in anderen technischen Gebieten.

Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Wassererhitzer ist die Widerstands­ heizung vorzugsweise in einem elektrisch isolierenden Werkstoff, insbeson­ dere in Magnesiumoxid, eingebettet.

Die erfindungsgemäß sehr hohe betriebsmäßige Stromdichte des Schutzstroms er­ laubt es, mit hohen Heizleistungen der Widerstandsheizung zu arbeiten. An­ stelle der wenigen W/cm² des elektrischen Wassererhitzers des Standes der Technik kann die Widerstandsheizung des erfindungsgemäßen elektrischen Was­ sererhitzers mit einer auf die Oberfläche des Schutzrohres bezogenen spezi­ fischen Leistung von mehr als 6 W/cm² bis zu 40 W/cm², vorzugsweise mit ei­ ner spezifischen Leistung von 20 bis 40 W/cm² betrieben werden. Es liegt auf der Hand, daß die damit erreichbaren Aufheizzeiten wesentlich geringer sind als im Stand der Technik.

Für die Nutzung als Anode hat sich unter Berücksichtigung der hohen Schutz­ stromdichte gemäß der Erfindung eine Gestaltung des Rohrheizkörpers als Heiz­ patrone als besonders zweckmäßig erwiesen.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre sind Gegenstand wei­ terer Patentansprüche. Im übrigen wird hierzu auf die lediglich ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung darstellende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer Prinzipdarstellung, im Schnitt ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Wassererhitzers,

Fig. 2 im Schnitt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Rohrheiz­ körpers für den elektrischen Wassererhitzer gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie III-III den Rohrheizkörper aus Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte elektrische Wassererhitzer ist so oder in ähn­ licher Form vom grundsätzlichen Aufbau her seit langem bekannt. Dieser Was­ sererhitzer weist zunächst einen Wasserbehälter 1 auf, der im hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel nicht isoliert ist; es handelt sich also um einen elektrisch beheizten Warmwasserboiler. Ein solcher Wasserbehälter 1 besteht üblicherweise aus einem mit einem Oberflächenschutz versehenen Me­ tallblech und ist in anderen Ausführungsbeispielen häufig auch doppelwandig ausgeführt, besteht also dann aus einem Innenmantel aus verzinktem oder vor­ zugsweise emaillierten Stahlblech, aus (verzinntem) Kupferblech oder aus Hartporzellan, aus einem Außenmantel, beispielsweise aus lackiertem Stahl­ blech, und aus einer dazwischenliegenden Wärmedämmschicht, z. B. aus Kork­ schrot, Glaswolle oder wärmedämmenden Schaumkunststoffen. Generell gilt für elektrische Heißwasserheizungen der in Rede stehenden Art DIN 44 901, worauf hier verwiesen werden darf.

In dem Wasserbehälter 1 des elektrischen Wassererhitzers ist ein Rohrheiz­ körper 2 angeordnet. Der Rohrheizkörper 2 weist im hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel in der üblichen Weise ein mit dem im Wasserbehälter 1 be­ findlichen Wasser in Berühung kommendes Schutzrohr 3 und eine in dem Schutz­ rohr 3 angeordnete Widerstandsheizung 4 auf. Eine solche Widerstandsheizung 4 weist von elektrischem Strom durchflossene Heizelemente aus Heizleiterwerk­ stoffen auf. Heizleiterwerkstoffe sind metallische oder nichtmetallische Werkstoffe, wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, Edelmetallverbindun­ gen oder Wolfram- und Molybdänlegierungen, aber auch Siliciumkarbid und Molybdändisilicid, des weiteren Kohlenstoff und Graphit ebenso wie dotierte Halbleiterwerkstoffe modernerer Zusammensetzung. Allen Heizleiterwerkstof­ fen ist gemeinsam, daß durch Stromfluß in erheblichem Maße Wärme erzeugt wird.

Der Rohrheizkörper 2 kann in an sich bekannter Weise als Heizschleife oder Heizschlange ausgeführt und an beiden Enden aus dem Wasserbehälter 1 heraus­ geführt sein. Im hier dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungs­ beispiel ist aber der Rohrheizkörper 2 als Heizpatrone ausgeführt, also an einem Ende aus dem Wasserbehälter 1 herausgeführt und am anderen Ende im Wasserbehälter 1 geschlossen. In Fig. 1 erkennt man deutlich das hier als helixartig gewundener Widerstandsdraht ausgeführte Heizelement der Wider­ standsheizung 4, das einerseits direkt, andererseits über eine Rückleitung mit größerem Querschnitt mit Anschlußleitungen 5 zum Anschluß an eine Ver­ sorgungsspannung verbunden ist. Eine Vielzahl anderer Konstruktionsarten für die Widerstandsheizung 4 ist denkbar und dem Fachmann auffindbar; eine besonders bevorzugte Gestaltung der Widerstandsheizung 4 wird später noch im einzelnen beschrieben.

Im hier dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Widerstandsheizung 4 in einem elektrisch isolierenden Werk­ stoff 6 eingebettet. Der Werkstoff 6 muß zwei Anforderungen erfüllen, näm­ lich einerseits elektrisch isolierend sein, andererseits thermisch eine möglichst hohe Leitfähigkeit haben, damit sich ein hoher Wärmeübergang von der Widerstandsheizung 4 auf das Wasser im Wasserbehälter 1 ergibt. Hier sind verschiedene Werkstoffe bekannt, insbesondere hat sich Magnesiumoxid als zweckmäßig erwiesen.

Bei dem hier dargestellten Wassererhitzer besteht das Schutzrohr 3 aus einem inerten, elektrisch leitenden Material. Ein Teil des Wasserbehälters 1 bil­ det eine Gegenelektrode 7. Zwischen dem Schutzrohr 3 und der Gegenelektrode 7 liegt betriebsmäßig eine Gleichspannung an. Das Schutzrohr 3 ist dabei als Anode geschaltet, liegt also auf einem gegenüber der Gegenelektrode 7 höheren elektrischen Potential. Das Schutzrohr 3 hat also zusätzlich zur mechani­ schen Schutzfunktion für die Widerstandsheizung 4 noch eine elektrische Funk­ tion als Anode eines elektrischen Schutzstromkreises, der vom Heizkreis völ­ lig getrennt ist. Dieser elektrische Schutzstromkreis mit der entsprechen­ den Polung des Schutzrohrs 3 als Anode hat das Ergebnis, daß sich am Schutz­ rohr 3 Kalkansätze nicht mehr finden. Im übrigen ist es im Grundsatz gleich­ gültig, auf welchem Wege in dem Rohrheizkörper 2 die Wärme erzeugt wird. Grundsätzlich könnte man also die anodische Belastung des Schutzrohrs 3 im elektrischen Schutzkreis auch dann realisieren, wenn sich im Inneren des Schutzrohres keine Widerstandsheizung, sondern eine andere Heizung, beispiels­ weise ein katalytischer Heizkörper oder ein flüssiges Heizmedium befände.

Für das Schutzrohr 3 empfiehlt sich als Material Titan, Tantal oder Niob oder Titan-, Tantal- oder Niobverbindungen oder -legierungen.

Zur anodischen Aktivierung der Oberfläche des Schutzrohrs 3 kann es sich empfehlen, dieses zumindest außen mit einer Aktivierungsbeschichtung zu versehen. Diese besteht hier nach bevorzugter Lehre aus Edelmetallmisch­ oxiden.

Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schutzrohr 3 wegen der Gestaltung des Rohrheizkörpers 2 als Heizpatrone in einer einzigen Iso­ lationsdurchführung 8 in der Wandung des Wasserbehälters 1 gehalten. Das Schutzrohr 3 ragt durch die Isolationsdurchführung 8 heraus und bietet auf der Außenseite des Wasserbehälters 1 eine freie Fläche, die als elektrischer Anschluß 9 für das Schutzrohr 3 im elektrischen Schutzstromkreis dient. Die Anschlußleitungen 5 sind durch eine elektrisch isolierende Abdichtung 10 im Schutzrohr 3 geführt, die das Schutzrohr 3 am in Fig. 1 unten liegenden, aus dem Wasserbehälter 1 herausragenden, ansonsten offenen Ende schließt.

Die zuvor erläuterte Verwendung des Wasserbehälters 1 als Gegenelektrode 7 für das als Anode geschaltete Schutzrohr 3 im elektrischen Schutzstromkreis hat einen besonderen zusätzlichen Vorteil, nämlich den, die innere Ober­ fläche des Wasserbehälters 1 kathodisch gegen Korrosion zu schützen. An der als Kathode geschalteten Gegenelektrode 7 und damit an der Innenwandung des Wasserbehälters 1 können Korrosionsvorgänge nicht oder nur erheblich lang­ samer ablaufen als sonst üblich.

Selbstverständlich könnte die Gegenelektrode aber auch separat in den Wasser­ behälter eingesetzt sein (siehe z. B. die EP-OS 01 56 221).

Für den hier dargestellten elektrischen Wassererhitzer ist nun zunächst wesentlich, daß das Schutzrohr 3 und die Gegenelektrode 7 auf eine Schutz­ stromdichte von mindestens 50 bis 70 µA/cm² ausgelegt sind, so daß im Be­ trieb zwischen dem Schutzrohr 3 und der Gegenelektrode 7 ein Schutzstrom mit einer Mindeststromdichte von 50 bis 70 µA/cm² fließen kann. Die Vorteile dieser Vorgabe sind im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden.

Für den dargestellten elektrischen Wassererhitzer ist ferner von Bedeutung, daß die Widerstandsheizung 4 eine auf die Oberfläche des Schutzrohrs 3 be­ zogene spezifische Leistung von mehr als 6 W/cm² bis zu 40 W/cm², vorzugs­ weise von 20 bis 40 W/cm² aufweist. Dadurch kann man entweder die Heizleist­ ung drastisch erhöhen, so daß die Aufheizzeiten verkürzt werden, oder bei gleicher Heizleistung kann man den Rohrheizkörper 2 erheblich kleiner aus­ führen als bisher üblich. Damit sind Kosteneinsparungen verbunden, die die höheren Kosten des besonderen, inerten Materials des Schutzrohrs 3 praktisch wieder ausgleichen.

Die erforderliche Gleichspannung zwischen dem Schutzrohr 3 und der Gegen­ elektrode 7 wird zweckmäßigerweise über einen Potentiostaten gesteuert bzw. geregelt (siehe auch die EP-OS 01 56 221). Für den erfindungsgemäßen elek­ trischen Wassererhitzer gilt nun eine besonders bevorzugte Gestaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Potentiostat als Unterbrecherpotentiostat ausgeführt ist und daß bei vorgegebenem, die erforderliche Mindeststrom­ dichte definierenden Sollpotential über die Unterbrecherfunktion eine Steue­ rung bzw. Regelung des Gesamtstroms gewährleistet ist. Auf diese Weise kann ohne große Schwierigkeiten auch der ausreichende kathodische Korrosions­ schutz des Wasserbehälters gewährleistet werden.

In elektrischen Warmwasserbereitern der in Rede stehenden Art sind bislang an sich bekannte selbstregelnde Widerstandsheizungen mit Kaltleitern nicht eingesetzt worden. Kaltleiter sind Bauelemente mit einem großen positiven Temperaturkoeffizienten und bestehen beispielsweise aus bestimmten Metall­ legierungen, z. B. aus Wolframlegierungen, oder aus dotierten Halbleitern, z. B. dotierter Titanatkeramik. Für einen Kaltleiter ist eine sprunghafte Erhöhung des Widerstands in einem engen Temperaturintervall typisch, wobei häufig ein bistabiles Verhalten vorgegeben ist. Das bistabile Verhalten ei­ nes Kaltleiters bedeutet, daß dieser seinen hohen Widerstand auch dann bei­ behält, wenn die Temperatur drastisch abgesunken ist. Ein Kaltleiter mit derart bistabilem Verhalten geht erst wieder in seinen Zustand mit gerin­ gem Widerstand über, wenn die Widerstandsheizung insgesamt von der Versor­ gungsspannung getrennt worden ist.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre ist es nun auch im vorliegenden Fall möglich, daß die Widerstandsheizung 4 mindestens ein Kaltleiterelement 11 aufweist. Im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und Fig. 3 besteht die Widerstandsheizung 4 sogar vollständig aus mehreren Kaltleiterelementen 11. Wegen der wegfallenden Gefahr eines Kalk­ ansatzes am Schutzrohr 3 und eines damit verbundenen Wärmestaus lassen sich die Arbeitsbedingungen der Kaltleiterelemente 11 leicht und zuverlässig vor­ ausberechnen, so daß man sicher ist, daß im normalen, alltäglichen Betrieb die selbstregelnde Funktion der Kaltleiterelemente 11 nicht auftreten wird, sondern daß sie nur dann auftritt und zu einer Abschaltung der Widerstands­ heizung 4 führt, wenn wirklich ein Betriebsnotfall vorliegt.

Die Kaltleiterelemente 11 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Preßmaterial hergestellt und bedürfen der Zuordnung elektrischer Kontaktelemente 12, da sie ansonsten nicht ohne weiteres elektrisch kon­ taktiert werden können. Zur elektrischen Verbindung zwischen den Kaltlei­ terelementen 11 und den elektrischen Kontaktelementen 12 bedarf es eines be­ stimmten Kontaktdrucks, der beispielsweise durch eine aufgeschrumpfte Sili­ konisolation erzeugt werden kann. Im hier dargestellten und insoweit be­ vorzugten Ausführungsbeispiel gilt überdies, daß die Kaltleiterelemente 11 im elektrisch isolierenden Werkstoff 6, insbesondere im Magnesiumoxid, un­ ter Druck eingebettet sind. Genaugenommen ist es hier so, daß das Schutz­ rohr 3 mit eingebrachten Kaltleiterelementen 11, Kontaktelementen 12 und isolierendem Werkstoff 6 zur Druckerzeugung gewalzt ist.

Fig. 3 zeigt den konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen Wassererhitzers dieses Ausführungsbeispiels besonders deutlich und zeigt damit, daß hier die Kaltleiterelemente 11 streifenförmig ausgebildet und etwa symmetrisch zur Längsachse des Schutzrohrs 3 angeordnet sind, die Kontaktelemente 12 ge­ kappt-halbkreis-streifenförmig ausgeführt und mit den Flachseiten an den Flachseiten der Kaltleiterelemente 11 anliegend angeordnet sind und diese Anordnung in einem Innenzylinder aus dem isolierenden Werkstoff 6, insbe­ sondere Magnesiumoxid, eingebettet ist. Fig. 2 macht deutlich, wie sich ganz von selbst durch die hier gewählte Anordnung die elektrische, schienenartige Verbindung der Kontaktelemente 12 mit den Anschlußleitungen 5 ergibt.

Bei entsprechender Einstellung der Kaltleiterelemente 11 kann man diese auch zur Temperaturregelung der Wassertemperatur im Wasserbehälter 1 nutzen, so daß die Kaltleiterelemente 11 bei Erreichen der Solltemperatur des Wassers keinen bzw. praktisch keinen Strom mehr aufnehmen. Bei einer wechselnden, einstellbaren Solltemperatur des Wassers im Wasserbehälter 1 empfiehlt sich allerdings eine externe Temperaturregelung mit einem Temperaturfühler im Wasserbehälter 1, wobei dann die Funktion der Kaltleiterelemente 11 bzw. ei­ nes Kaltleiterelements in der Widerstandsheizung 4, die ansonsten auch an­ ders ausgeführt sein kann, auf eine Sicherheitsabschaltung beschränkt ist.

Claims (12)

1. Elektrischer Wassererhitzer mit einem Wasserbehälter und einem in dem Wasserbehälter angeordneten Rohrheizkörper, wobei der Rohrheizkörper ein Schutzrohr und eine in dem Schutzrohr angeordnete Widerstandsheizung auf­ weist, das Schutzrohr aus einem anodisch passivierbaren, elektrisch leiten­ den Material besteht, in dem Wasserbehälter eine Gegenelektrode vorgesehen ist oder der Wasserbehälter oder ein Teil des Wasserbehälters eine Gegen­ elektrode bildet und zwischen dem Schutzrohr und der Gegenelektrode betriebs­ mäßig eine Schutzspannung anliegt und das Schutzrohr dabei als Anode ge­ schaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) und die Gegen­ elektrode (7) auf eine Schutzstromdichte von mindestens 50 bis 70 µA/cm² ausgelegt sind.

2. Elektrischer Wassererhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizung (4) in einem elektrisch isolierenden Werkstoff (6), insbesondere in Magnesiumoxid, eingebettet ist.

3. Elektrischer Wassererhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Widerstandsheizung (4) eine auf die Oberfläche des Schutzrohrs (3) bezogene spezifische Leistung von mehr als 6 W/cm² bis zu 40 W/cm² aufweist.

4. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rohrheizkörper (2) als Heizpatrone an einem Ende aus dem Wasserbehälter (1) herausgeführt und am anderen Ende im Wasserbehäl­ ter (1) geschlossen ist.

5. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schutzrohr zumindest außen mit einer Aktivierungsbeschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Aktivierungsbeschichtung um eine Beschichtung aus Edelmetallmischoxiden handelt.

6. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zwischen dem Schutzrohr und der Gegenelektrode anliegende Spannung über ei­ nen Potentiostaten steuerbar oder regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentiostat als Unterbrecherpotentiostat ausgeführt ist und bei vorge­ gebenem, die erforderliche Mindeststromdichte definierenden Sollpotential über die Unterbrecherfunktion eine Steuerung bzw. Regelung des Gesamtstroms gewährleistet ist.

7. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstandsheizung (4) mindestens ein Kaltleiterele­ ment (11) aufweist.

8. Elektrischer Wassererhitzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Kaltleiterelementen (11) elektrische Kontaktelemente (12) zugeordnet sind.

9. Elektrischer Wassererhitzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kaltleiterelemente und die Kontaktelemente eine Silikonisolation auf­ geschrumpft ist.

10. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kaltleiterelemente (11) im elektrisch isolierenden Werkstoff (6), insbesondere im Magnesiumoxid, unter Druck eingebettet sind.

11. Elektrischer Wassererhitzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (3) mit eingebrachten Kaltleiterelementen (11), Kontakt­ elementen (12) und isolierendem Werkstoff (6) zur Druckerzeugung gewalzt ist.

12. Elektrischer Wassererhitzer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiterelemente (11) streifenförmig ausgebildet und symmetrisch zur Längsachse des Schutzrohres (3) angeordnet sind, die Kon­ taktelemente (12) gekappt-halbkreis-streifenförmig ausgeführt und mit den Flachseiten an den Flachseiten der Kaltleiterelemente (11) anliegend angeord­ net sind und die Kaltleiterelemente (11) und die Kontaktelemente (12) in ei­ nem Innenzylinder aus dem isolierenden Werkstoff (6), insbesondere dem Magne­ siumoxid, eingebettet sind.