DE4436013A1 - Durchlauferwärmungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von fließfähigen bzw. strömbaren Medien im kontinuierlichen oder intervallweisen Durchlaufverfahren, mit einer regelbaren, elektrischen Heizeinrichtung.

Bekannte Erwärmungsvorrichtungen insbesondere sogenannte Durchlauferhitzer, umfassen eine Heizeinrichtung in Form eines Rohrheizkörpers oder einer Heizpatrone. Ein Rohrheizkörper oder eine Heizpatrone enthalten einen einen elektrischen Widerstand bildenden Heizdraht aus einem metallischen Material, der zur elektrischen Isolierung von Magnesiumoxid und einer die Außenseite bildenden Metallummantelung umgeben ist. Eine solche Heizeinrichtung ist entweder direkt von dem zu erwärmenden Medium oder von einem Wärmeübertragungsmedium, wie zum Beispiel Wasser oder ein Wärmeträgeröl, umströmt. Es sind jedoch auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die in Form eines Rohrheizkörpers oder einer Heizpatrone gebildete Heizeinrichtung in einem metallischen Wärmeübertragungskörper aufgenommen ist, der seinerseits in thermischen Kontakt mit dem zu erwärmenden Medium gebracht ist.

Die bekannten Erwärmungsvorrichtungen sind aufgrund ihrer großen Masse schwer steuerbar bzw. regelbar. Die Ansprechzeiten bei Steuer- oder Regelvorgängen sind lang, was den Einsatz derartiger Erwärmungsvorrichtungen für viele Anwendungen, die höchste Genauigkeit erfordern, stark begrenzt. Während der Aufheizzeiten dieser Systeme wird elektrische Energie verbraucht, die in dieser Zeit nicht zur Erwärmung des strömenden Mediums genutzt werden kann. Insbesondere dann, wenn innerhalb eines Zeitintervalls variierende Temperaturen bei dem strömenden Medium erzeugt werden sollen, erweisen sich bekannte Vorrichtungen als träge; vorgegebene Temperaturen lassen sich nicht hinreichend genau erzeugen, und große Toleranzspielräume sind die Folge. Auch wenn bei dem strömenden Medium der einzustellende Temperatursollwert abgesenkt wird, erreicht der Istwert der Temperatur aufgrund des über- bzw. Nachschwingens erst mit großer zeitlicher Verzögerung den vorgegebenen Wert. Ein weiterer Nachteil bekannter Erwärmungsvorrichtungen ist darin zu sehen, daß diese sehr viel Platz benötigen und dementsprechend nur aufwendig und kostenintensiv herstellbar sind. Zur Bereitstellung von Heizleistung im Kilowattbereich, werden bei bekannten Erwärmungsvorrichtungen hohe Spannungen benötigt, was wiederum in vielen Bereichen, wo nur Niedervoltspannung zur Verfügung steht, dazu führt, daß diese Vorrichtungen nicht wie erwünscht einsetzbar sind.

Weiter ist nachteilig, daß die Oberflächenbelastbarkeit bekannter Systeme aufgrund der physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien stark begrenzt ist. Hohe Heizleistungen, insbesondere in Verbindung mit hohen Heizströmen, sind daher auf kleinem Bauraum nicht erreichbar.

Ferner ist die Korrosionsanfälligkeit zu nennen, die die Lebensdauer von in unmittelbarem Kontakt mit aggressiven Medien stehenden Rohrheizkörpern auch bei Verwendung hochlegierter Stähle begrenzt.

Die vorstehend genannten Nachteile haben zur Folge, daß bekannte Erwärmungsvorrichtungen in vielen Bereichen der Medizin, Labortechnik, Lebensmittelverarbeitung, Kalibriertechnik, Flugzeugindustrie etc. nicht, nicht sinnvoll, oder nur begrenzt einsetzbar sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Erwärmungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die genannten Nachteile nicht auftreten und die sich insbesondere durch schnelle Ansprechzeiten, sehr genaue Regelbarkeit und hohen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung auszeichnet und dennoch auf wirtschaftliche Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizeinrichtung der Erwärmungsvorrichtung einen keramischen Trägerkörper mit einer darauf aufgebrachten, einen Heizwiderstand für elektrischen Strom bildenden Widerstandsbahn aus einer Widerstandspaste umfaßt, daß der keramische Trägerkörper mittels eines thermisch leitenden Klebermaterials mit einem Wärmeverteiler verbunden ist und daß der Wärmeverteiler von dem zu erwärmenden Medium durchströmbar ist.

Eine derart ausgebildete Erwärmungsvorrichtung läßt sich auf kleinstem Bauraum verwirklichen; die Wärmekapazität der Heizeinrichtung ist verglichen mit bekannten Vorrichtungen beträchtlich reduziert, was die Ansprechzeiten in erheblichem Maße verkürzt, so daß eine genaue Regelung der Temperatur möglich ist. Die Oberflächenbelastbarkeit des keramischen Trägerkörpers ist um ein Vielfaches höher als bei bekannten Heizeinrichtungen. Es können hier je nach Substrat Temperaturen bis 1300° Celsius erzeugt werden, ohne daß es zu Schädigungen des Trägerkörpers kommt.

Der keramische Trägerkörper mit hoher thermischer Leitfähigkeit ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet, das heißt seine Dicke ist gegenüber seiner Längs- und Quererstreckung gering, was sich in einem geringen Wärmewiderstand zwischen der Widerstandsbahn und dem von dem zu erwärmenden Medium durchströmbaren Wärmeverteiler auswirkt. Durch die geringe Masse und die demzufolge geringe Wärmekapazität in Verbindung mit hoher thermischer Leitfähigkeit ist der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung gegenüber bekannten Vorrichtungen erhöht, und die Ansprech- bzw. Reaktionszeiten sind verkürzt. Es können auf kleinerem Bauraum höhere Heizleistungen zur Verfügung gestellt werden.

Bei einem im wesentlichen ebenen Trägerkörper läßt sich die Widerstandsbahn einer Hybridschaltung entsprechend, insbesondere im Siebdruckverfahren, auf den keramischen Trägerkörper aufbringen. Besonders vorteilhaft ist hierbei, daß die Widerstandsbahn von einer im Zusammenhang mit Hybridschaltungen an sich bekannten Widerstandpaste hergestellt werden kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung sind auf dem Trägerkörper eine Vielzahl von parallel geschalteten Widerstandsbahnen vorgesehen. Bei gleichem Widerstand fällt dann an jeder Widerstandsbahn die gleiche vorgebbare Spannung und somit die gleiche Heizleistung ab. Es läßt sich aber auch durch Widerstandsbahnen mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand eine über die Ausdehnung der Heizeinrichtung bzw. des Trägerkörpers variierende Leistungsabgabe ereichen. Dies erweist sich beispielsweise dann als vorteilhaft, wenn innerhalb des Wärmeverteilers mehrere voneinander separiert strömende Medien unterschiedlich stark erwärmt werden sollen oder ein Temperaturabfall im Randbereich vermieden werden soll.

Im Hinblick auf eine kompakte und integrale Bauform erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein mit der Heizeinrichtung und mit einem Regler zusammenwirkender Temperaturfühler, insbesondere auf PTC oder PT-Basis, auf den keramischen Trägerkörper aufgebracht, insbesondere aufgedruckt ist. Dadurch ist ein genauer Oberflächentemperaturabgriff und damit eine sichere Begrenzung der Oberflächentemperatur möglich, was bei problematischen Medien erforderlich sein kann und zudem eine exakte Temperaturregelung erlaubt. Der Temperaturfühler kann jedoch ebenso mittels eines wärmeleitfähigen Klebers auf die Heizeinrichtung aufgebracht sein. Um die momentane Ist-Temperatur des in dem Wärmeverteiler strömenden Mediums genau erfassen und bei der Regelung berücksichtigen zu können, wird vorgeschlagen, innerhalb des Wärmeverteilers einen weiteren von dem Medium umströmbaren Temperaturfühler vorzusehen.

Der Wärmeverteiler kann aus einem beliebigen thermisch gut leitenden Material bestehen, das zur Verwendung bei den auftretenden Temperaturen geeignet ist. Bevorzugtermaßen wird der Wärmeverteiler jedoch aus Aluminium hergestellt, das sich hinsichtlich der spezifischen Wärmekapazität, der Bearbeitbarkeit sowie der thermischen Leitfähigkeit als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

Die Erfindung betrifft desweiteren eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, bei der die Heizeinrichtung von dem zu erwärmenden Medium umströmbar innerhalb eines als Wärmetauschereinheit dienenden durchströmbaren Behältnisses angeordnet ist. Zur Überwindung der eingangs erwähnten und gleichermaßen bei dieser Vorrichtung auftretenden Probleme, wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Heizeinrichtung einen keramischen Trägerkörper mit einer darauf aufgebrachten, einen Heizwiderstand für elektrischen Strom bildenden Widerstandbahn aus einer vorzugsweise aushärtbaren Widerstandspaste umfaßt und daß die Widerstandsbahn auf dem keramischen Trägerkörper von einer elektrisch isolierenden Schicht überdeckt ist.

Durch die isolierende Schicht wird bei der umströmten Heizeinrichtung ein elektrischer Kurzschluß verhindert und somit die Funktionsfähigkeit der Heizeinrichtung gewährleistet. Die umströmbare Heizeinrichtung kann in Weiterbildung der Erfindung wie vorstehend erläutert vorteilhaft ausgebildet und insbesondere auf geeignete Weise innerhalb der Wärmetauschereinheit fixiert sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung sowie aus der nachfolgenden Beschreibung dreier bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung. Es zeigen

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer bausteinartig erweiterbaren Erwärmungsvorrichtung und

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, welche innerhalb einer Wärmetauschereinheit umströmbar angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Erwärmungsvorrichtung in Form eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten Durchlauferhitzers. Der Durchlauferhitzer 2 umfaßt einen Wärmeverteilerkörper 4 und eine darauf aufgebrachte elektrische Heizeinrichtung 6. Der Wärmeverteilerkörper 4 weist einen Zulaufanschluß 8 und einen Ablaufanschluß 10 auf, an welche nicht dargestellte Leitungen zum Zuführen bzw. Abführen eines zu erwärmenden Mediums anschließbar sind. Der Zulauf- und der Ablaufanschluß 8, 10 sind mittels ebenfalls nicht dargestellter und im Inneren des Verteilerkörpers 4 verlaufender Wärmetauscher-Rohre verbunden.

Die Heizeinrichtung 6 umfaßt einen plattenförmigen keramischen Trägerkörper 12 und darauf aufgebrachte Widerstandsbahnen 14 aus einer oder verschiedenen Widerstandspasten, wie sie auch bei elektrischen Hybridschaltungen Verwendung finden. Die Widerstandsbahnen 14 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zueinander geschaltet und weisen denselben elektrischen Widerstand auf, so daß die Heizleistung über die Erstreckung der Heizeinrichtung 6 gleichbleibt, wenn an die Anschlüsse 16 mittels einer angedeuteten Reglereinrichtung 18 eine Heizspannung gelegt wird. Durch die Wahl unterschiedlicher Widerstandspasten sowie durch unterschiedliche Ausbildung der Widerstandsbahnen ist es möglich, den elektrischen Widerstand der Widerstandsbahnen 14 zu variieren und so voneinander verschiedene Heizleistungen an verschiedenen Punkten der Heizeinrichtung zu erreichen.

Zur mechanischen Befestigung sowie zur thermischen Ankopplung der Heizeinrichtung 6 bzw. des plattenförmigen keramischen Trägerkörpers 12 an dem bzw. an den Wärmeverteilerkörper 4 ist ein wärmeleitfähiger Kleber verwandt worden. Die Genauigkeit und Trägheit der Temperaturregelung kann durch die Wahl eines geeigneten Klebermaterials nicht unerheblich beeinflußt werden. Wird ein Kleber hoher Wärmeleitfähigkeit verwandt, der gleichzeitig gegen Temperaturunterschiede unempfindlich ist, insbesondere keine Risse bildet, sich nicht ablöst oder abdampft etc., so läßt sich bei dem dargestellten Durchlauferhitzer eine bis auf 0,1° Celsius genaue Temperaturregelung erreichen. Während die Heizleistung bei bekannten Vorrichtungen aufgrund der begrenzten Oberflächenbelastbarkeit der eingesetzten Materialien in der Größenordnung von 10 W/ cm² der Heizeinrichtung liegt, läßt sich mit dem vorstehend beschriebenen Durchlauferhitzer etwa das Zehnfache erreichen.

Die Widerstandsbahnen 14 sind einer Hybridschaltung entsprechend im Siebdruckverfahren auf den keramischen Trägerkörper 12 aufgebracht.

Weiter ist ein mit dem Regler 18 zusammenwirkender Temperaturfühler 22 vorgesehen, der als PT-Sensor ausgebildet und ebenfalls auf den Trägerkörper 12 aufgedruckt ist.

Um bei der Heizeinrichtung 6 Kurzschlüsse zu verhindern und hinsichtlich der Alterung thermische Stabilität zu gewährleisten, sind die Widerstandsbahnen 14 bzw. der keramische Trägerkörper 12 von einer elektrisch isolierenden Schutzschicht aus einem Glas oder einem glashaltigen Material überzogen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung, die ebenfalls wie die vorangehend beschriebene Vorrichtung einen Wärmeverteilerkörper 30 sowie eine der Heizeinrichtung 6 entsprechend ausgebildete Heizeinrichtung 32 umfaßt. Ein Temperatursensor 34 ist auf eine separate keramische Trägerplatte 36 aufgebracht, welche ihrerseits mittels eines wärmeleitfähigen Klebers 38 auf den keramischen Trägerkörper 40 der Heizeinrichtung 32 aufgebracht ist.

Der Wärmeverteiler 30 ist zwischen zwei Umlenk- bzw. Verteilerblöcken 42 und 44 angeordnet. Die Umlenk- bzw. Verteilerblöcke 42 und 44 sind durch Messingstäbe 46, die sich durch Öffnungen 48 in den Blöcken 42, 44 hindurcherstrecken, mittels Schraubverbindung verbunden und gehalten. Anschlüsse 50 und 52 des durchströmbaren Wärmeverteilerkörpers 30 erstrecken sich durch den Umlenk­ bzw. Verteilerblock 42 und 44 hindurch und bilden Anschlußflansche für Verrohrungen, Schlauchverbindungen oder dergleichen.

Die Höhe der Umlenk- bzw. Verteilerblöcke 42, 44 ist so gewählt, daß die elektrischen Anschlüsse der Heizeinrichtung 32 und des Temperatursensors 34 seitlich weggeführt werden können. Die Baugruppe aus Wärmeverteilerkörper 30 mit Umlenk- bzw. Verteilerblöcken 42, 44 und Heizeinrichtung 32 ist somit stapelbar, so daß mehrere solcher Baugruppen übereinander oder nebeneinander angeordnet werden können. Die Baugruppen können durch entsprechendes Verbinden der Anschlüsse 50, 52 beispielsweise miteinander in Reihe geschaltet werden, was sich empfehlen kann, wenn höchste Heizleistung gefragt ist. Durch die Gestaltung der Blöcke sind gleichermaßen parallele wie serielle Schaltungen der Verrohrung möglich. Durch die vorstehend beschriebene Baugruppe ist eine flexibel und vielseitig einsetzbare Erwärmungsvorrichtung bereit gestellt, die sich entsprechend aktueller Anforderungen nur vorübergehend oder aber mittels einer geeigneten Verrohrung dauerhaft zu einer größeren Vorrichtung kombinieren läßt.

In einer Seitenwand des Umlenk- oder Verteilerblocks 42 ist ein Verschluß 54 dargestellt, der eine Öffnung für einen darin einsetzbaren Temperatursensor verschließt, mittels dessen die Temperatur des innerhalb des Wärmeverteilerkörpers 30 fließenden bzw. strömenden Mediums erfaßt werden kann. Über die Öffnung 56 können jedoch auch zwei entsprechend ausgebildete Baugruppen strömungstechnisch miteinander verbunden werden. Es kann dann auf die stirnseitigen Anschlüsse 50, 52 verzichtet werden, was die Baugruppe noch kompakter erscheinen läßt.

Fig. 3 zeigt eine innerhalb einer Wärmetauschereinheit 58 von dem zu erwärmenden Medium umströmte Heizeinrichtung 60, die einen keramischen Trägerkörper 62 mit einer darauf aufgebrachten Widerstandsbahn 64 umfaßt, die von einer elektrisch isolierenden Schicht 66 überdeckt ist. Die Heizeinrichtung 60 ist entsprechend der vorstehenden Ausführungen ausgebildet und braucht daher nicht näher beschreiben zu werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erwärmen von fließfähigen bzw. strömbaren Medien im kontinuierlichen oder intervallweisen Durchlaufverfahren, mit einer regelbaren elektrischen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6, 32) einen keramischen Trägerkörper (12, 40) mit einer darauf aufgebrachten, einen Heizwiderstand für elektrischen Strom bildenden Widerstandsbahn (14) aus einer Widerstandspaste umfaßt, daß der kerami­ sche Trägerkörper (12, 40) mittels eines thermisch leitenden Klebermaterials (20) mit einem Wärmever­ teiler (4, 30) verbunden ist und daß der Wärme­ verteiler (4, 30) von dem zu erwärmenden Medium durchströmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Widerstandsbahn (14) einer Hy­ bridschaltung entsprechend auf den keramischen Trä­ gerkörper (12, 40) aufgebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der keramische Trägerkörper plat­ tenförmig ausgebildet ist.

4 Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägerkörper (12, 40) eine Vielzahl von parallel geschalteten Widerstandsbahnen (14) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand verschiedener Abschnitte der Widerstandsbahn zur Erzeugung variierender Heizleistung über die Erstreckung des Trägerkörpers (12, 40) variiert ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (14) auf dem keramischen Trägerkörper (12, 40) von einer elektrisch isolierenden Schicht überdeckt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (4, 30) aus Aluminium ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Heizeinrichtung (6, 32) und mit einem Regler (18) zusammenwirkender Temperaturfühler (22) auf den keramischen Trägerkörper (12) aufgedruckt ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Heizeinrichtung (6, 32) und mit einem Regler (18) zusammenwirkender Temperaturfühler (36) mittels eines wärmeleitfähigen Klebers (38) auf die Heizeinrichtung (32) aufgebracht ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wärmeverteilers (4, 30) ein mit der Heizeinrichtung (6, 32) und mit einem Regler (18) zusammenwirkender, von dem zu erwärmenden Medium umströmter Temperaturfühler vorgesehen ist.

11. Vorrichtung zum Erwärmen von fließfähigen oder strömbaren Medien im kontinuierlichen oder intervallweisen Durchlaufverfahren, mit einer von dem zu erwärmenden Medium umströmbaren und innerhalb einer Wärmetauschereinheit angeordneten, regelbaren elektrischen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (60) einen keramischen Trägerkörper (62) mit einer darauf auf­ gebrachten, einen Heizwiderstand für elektrischen Strom bildenden Widerstandsbahn (64) aus einer Widerstandspaste umfaßt und daß die Widerstandsbahn (64) auf dem keramischen Trägerkörper (62) von einer elektrisch isolierenden Schicht (66) überdeckt ist.