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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement, das dazu vorgesehen
ist, beispielsweise zum Erhitzen eines Wärmeträger-Fluids, insbesondere Wasser,
das im Innern eines dichten Behälters
enthalten ist, eingesetzt zu werden. Beispiele eines solchen Behälters sind
Warmwasserspeicher, Wasser- oder Ölheizkörper, Handtuchtrockner, etc.,
wobei derartige Heizkörper
und Handtuchtrockner separat eingesetzt oder Teil eines Heizungsnetzes
sein können.
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Ein
Heizelement dieser Art umfasst allgemein ein Widerstandselement,
das im Innern einer rohrförmigen
Umhüllung
aus einem wärmeleitfähigen Material
angeordnet ist und das über
einen Stromschalter mit einem Stromkreis verbunden ist.
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Es
sind bereits Heizelemente mit doppelter Umhüllung bekannt, bei denen zwei
rohrförmige, wärmeleitfähige Umhüllungen
koaxial zueinander angeordnet sind.
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Im
Betriebszustand durchsetzt die einzelne Umhüllung oder die äußere Umhüllung des
Heizelements die Wand des Behälters,
um mit dem größten Teil
seiner Länge
in das Fluid einzutauchen, wobei sein geschlossenes Ende an der
Innenseite des Behälters
und sein offenes Ende an der Außenseite
angeordnet ist, um die elektrische Verbindung mit dem Widerstandselement
zu ermöglichen.
An ihrem Durchtritt durch die Wand ist die Umhüllung von einem Befestigungsflansch
umgeben, der sowohl den Halt als auch die nötige Dichtigkeit der Umhüllung gegenüber der
Behälterwand
sicherstellt.
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Insbesondere
aus dem Dokument EP-A-0 317 435 ist bekannt, den Befestigungsflansch
aus wärmeleitfähigem Material
herzustellen und eine Aufnahme in seiner Dicke vorzusehen, in welcher
der Stromschalter derart angeordnet ist, dass der Befestigungsflansch
eine Ableitung von Wärme
sicherstellt, die beim Betrieb des Stromschalters erzeugt wird.
Auf diese Weise wird die Erwärmung
des Stromschalters besonders effizient begrenzt, bzw. das Kühlen des
Stromschalters erzielt. Es ist jedoch notwendig, die Abmessungen
des Befestigunsflansches derart vorzusehen, dass diese ausreichend sind,
um in seiner Dicke die Aufnahme, in welcher der Stromschalter aufgenommen
ist, anzuordnen. Somit nimmt der Befestigungsflansch beträchtlichen
Platz in Anspruch, wodurch es bei manchen Behälterarten schwierig ist, das
Heizelement einzubauen.
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Es
wäre daher
zweckmäßig, ein
Mittel zum Begrenzen der Erwärmung
oder zum Kühlen
des Stromschalters vorzusehen, das geringe Abmessungen hat.
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Ferner
ist aus dem Dokument FR-A-2 801 469 ein Heizelement mit einer Umhüllung bekannt,
in der ein Heizwiderstand aufgenommen ist, der in ein isolierendes
Material eingebettet ist und der über ein temperaturempfindliches
Element, das in einer Aussparung der Umhüllung angeordnet ist, um die
Versorgung des Heizwiderstands temperaturabhängig zu unterbrechen, mit einer
Versorgungsquelle verbunden ist. Das Heizelement ist derart angeordnet, dass
sowohl in der Aussparung im Bereich des empfindlichen Elements als
auch in dem isolierenden Material, das den Widerstand umgibt, die
gleiche Temperatur herrscht, um die Unterbrechung der Versorgung
sehr präzise
zu steuern. Bei einer solchen Struktur ist es nicht nötig, das
empfindliche Element zu kühlen,
das im Gegensatz dazu sogar einer Temperatur ausgesetzt sein soll,
die möglichst
nah an der Temperatur des Heizwiderstands liegt. Die Lehre dieses
Dokuments kann somit nicht eingesetzt werden, um das vorliegende
Problem zu lösen.
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Um
das Problem zu lösen,
ist erfindungsgemäß ein Heizelement
vorgesehen, umfassend zumindest eine rohrförmige, wärmeleitfähige Umhüllung, die zumindest ein Widerstandselement
aufnimmt, das mit einem Stromkreis in Verbindung steht, der einen
Stromschalter umfasst, der in der Umhüllung über Mittel zum Austausch von
Wärme zwischen dem
Stromschalter und der Umhüllung
befestigt ist.
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So
stellt die Umhüllung
neben dem Schutz des Widerstandselements und dem Austausch von Wärme zwischen
diesem und dem Wärmeträger-Fluid
durch den Kontakt mit dem Wärmeträger-Fluid auch
eine Funktion der Ableitung von Wärme sicher, die beim Betrieb
des Stromschalters erzeugt wird. Auch die Verbindung der Umhüllung mit
der Wand des Behälters
trägt zur
Ableitung von Wärme über den
Behälter
bei. Auf diese Weise ist eine relativ große Austauschfläche zum
Kühlen
des Stromschalters erzielt, während
dennoch geringe Abmessungen beibehalten werden. Das so bewirkte
effiziente Kühlen des
Stromschalters ermöglicht
die Lebensdauer desselben zu verlängern. Die Umhüllung stellt
ferner eine Funktion des Schutzes des Stromschalters gegenüber schadhaften
Einwirkungen von außen
sicher und erleichtert die elektrische Isolierung des Stromschalters
gegenüber
der Außenatmosphäre.
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Weiter
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
bestimmter, nicht einschränkender
Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Es
wird auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht im Längsschnitt
eines Heizelements gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
der 1 entsprechende Ansicht eines Heizelements gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III–III der 1 durch
die Stromschalter-Baugruppe,
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4 eine
der 3 entsprechende Ansicht der Baugruppe gemäß einer
ersten Ausführungsvariante;
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5 eine
Seitenansicht einer Stromschalter-Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsvariante;
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6 eine
Schnittansicht entlang der Linie V–V der 5 der Baugruppe.
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Die
Erfindung ist hier in Verbindung mit einem einzelnen Heizelement
dargestellt und beschrieben, das dazu vorgesehen ist, mit Hilfe
eines Befestigungsflanschs (selbst nicht dargestellt) an einem Behälter mit
einem zu erhitzenden Fluid (nicht dargestellt) befestigt zu werden.
Der Befestigungsflansch ist dazu vorgesehen, in ein Gewindeloch
in der Behälterwand
eingeschraubt zu werden. Es sind natürlich auch andere Befestigungsarten
denkbar.
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In 1 umfasst
das mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnete Heizelement
einen gekapselten elektrischen Widerstand, der eine metallische
Umhüllung 2 hat,
in deren Innern ein Widerstandselement 3, hier in Form
einer Widerstandsdrahtwendel, angeordnet ist. Das Widerstandselement 3 erstreckt
sich in einem hitzebeständigen, elektrisch
isolierenden Material, wie beispielsweise Magnesitpulver 4,
das im Innern der metallischen Umhüllung verdichtet wird. Das
Widerstandselement hat zwei Enden 3a, 3b, die
mit elektrischen Leitern 5, 6 verbunden sind,
die ein Verschlusselement 7 durchsetzen, um mit einem Stromkreislauf
verbunden zu werden. Das Verschlusselement 7 teilt die metallische
Umhüllung 3 hermetisch
in zwei Abschnitte 2a, 2b, wobei das Widerstandselement 3 im Abschnitt 2a enthalten
ist. Das Verschlusselement 7 ist vorzugsweise aus einem
wärmeisolierenden
Material hergestellt.
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Der
Stromkreislauf ist in 1 nicht komplett zu sehen, sondern
es ist nur ein Stromschalter 8 schematisch dargestellt.
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Der
Stromschalter 8 ist ein Triac, der mit dem übrigen Stromkreislauf über Kabel 9 verbunden
und in dem Abschnitt 2b der metallischen Umhüllung 2 befestigt
ist. Der Stromschalter 8 ist in einer Aussparung 10 aufgenommen,
die in einer Platte 11 angeordnet ist und einen Boden 12 umfasst,
auf dem der Stromschalter 8 aufliegt. Die Aussparung 10 ist
mit einem elektrisch isolierenden ausgehärteten Harz 13 angefüllt, das
den Halt des Stromschalters 8 gegenüber der Platte 11 sicherstellt.
Die Platte 11 ist aus einem wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Messing,
hergestellt und hat auf der der Aussparung 10 abgewandten
Seite eine Fläche 14 in
Form eines zylindrischen Abschnitts mit kreisförmigem Querschnitt, dessen
Radius im wesentlichen dem Innenradius des Abschnitts 2b der
Umhüllung 2 entspricht. Die
Fläche 14 der
Platte 11 liegt über
eine elektrisch isolierende Schicht 15 an einem Abschnitt
der Innenfläche
des Abschnitts 2b der Umhüllung 2 an. Die isolierende
Schicht 15 kann eine oder zwei Lagen feiner Glimmererde
oder eines geeigneten Elastomers, beispielsweise auf Siloconbasis,
umfassen, die möglicherweise
mit einem wärmeleitfähigen und
elektrisch isolierenden Fett verbunden sind. Im Falle der Verwendung
eines isolierten Triacs ist die Schicht 15 im Rahmen einer
einfachen Isolierung fakultativ. Der Abschnitt 2b der Umhüllung 2 ist
mit einem elektrisch isolierenden und ausgehärteten Harz 16 angefüllt, das
sich jenseits des Verschlusses 7 erstreckt und den Halt
der Baugruppe aus Stromschalter 8, elektrisch isolierender
Schicht 15 und Platte 11 sicherstellt. Bei der
Herstellung ist auf die Qualität
der Kontakte der Elemente untereinander zu achten, die zwischen
dem Stromschalter 8 und der Umhüllung 2 eine Wärmeaustauschverbindung
ermöglichen
müssen.
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Somit
wird die von dem Stromschalter 8 bei seinem Betrieb erzeugte
Wärme über die
Platte 11 durch die Umhüllung 2 abgeleitet,
die mit dem zu erwärmenden
Wärmeträger-Fluid
in Kontakt ist. Wenn der Flansch aus einem wärmeleitfähigen Material besteht, wird
ein Teil der von dem Stromschalter erzeugten Wärme ferner über den Flansch durch die Wand
des Behälters,
an dem das Heizelement befestigt ist, abgeleitet.
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Des
Weiteren befindet sich der Stromschalter 8 in einer Umgebung
(innerhalb der Aussparung 10), die zumeist hauptsächlich von
der Temperatur des Wärmeträger-Fluids
und nicht von der des Widerstandselements 3 abhängt, was
die Kühlung
des Stromschalters 8 begünstigt. Um diese Wärmeaufteilung
zwischen der Aussparung und dem Widerstandselement zu verstärken, können Wärmeisolierungsmittel
zwischen der Aussparung 10 und dem direkt an das Widerstandselement 3 angrenzenden
Bereich des Heizelements vorgesehen sein.
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Mit
den zuvor beschriebenen Elementen identische oder diesen entsprechende
Elemente sind in der folgenden Beschreibung mit demselben Bezugszeichen
versehen.
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In
den 2 und 3 und gemäß der zweiten Ausführungsform
ist der gekapselte Widerstand im Innern einer zweiten Umhüllung 17 enthalten,
die sich koaxial zur Umhüllung 2 erstreckt
und ein offenes Ende 17a und ein geschlossenes Ende 17b hat. Die
Umhüllung 17 ist
hier aus einem Metall, wie beispielsweise nichtoxidierbarem Stahl,
hergestellt, kann aber auch aus jedem anderem wärmeleitfähigen Material bestehen.
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Die
Umhüllung 17 ist
teilweise mit einem hitzebeständigen,
elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Magnesit 26,
das im Innern der Umhüllung 17 verdichtet
wird, angefüllt,
wobei die Umhüllung 2 von
diesem Material umschlossen ist. Ein an ihr offenes Ende 17a grenzender
Abschnitt der Umhüllung 17 erstreckt
sich über
die Umhüllung 2 hinaus
und nimmt den Stromschalter 8 auf, der nicht wie im vorangegangen
Beispiel in der Umhüllung 2 angeordnet
ist. Das Verschlusselement 7 grenzt somit an das offene
Ende der Umhüllung 2 an,
so dass es diese verschließt.
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Der
Stromschalter 8 ist an einer Platte 11 mit einer
Aussparung 10 befestigt, die einen Boden 12 und
Seitenwände
hat, die mit einer elektrisch isolierenden Schicht 18 bedeckt
sind. Ein elektrisch isolierendes, ausgehärtetes Harz 13 füllt die
Aussparung 10 aus und hält
den Stromschalter 8 in seiner Position. Die Platte 11 ist
wie zuvor aus einem wärmeleitfähigen Material,
hier aus Messing, hergestellt und hat auf der der Aussparung 10 abgewandten
Seite eine Fläche 14 in
Form eines zylindrischen Abschnitts mit kreisförmigem Querschnitt, dessen
Radius im wesentlichen dem Innenradius der Umhüllung 17 entspricht.
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Der
Halt der Platte 11 in dem entsprechenden Abschnitt der
Umhüllung 17 ist
von einem elektrisch isolierenden, ausgehärteten Harz 23 in
diesem Umhüllungsabschnitt
sichergestellt.
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Gemäß einer
in 4 dargestellten ersten Ausführungsvariante ist in der Fläche 14 der
Platte 11 eine axial gerichtete Rille 24 angeordnet.
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Der
Vorgang der Montage der den Stromschalter 8 enthaltenden
Baugruppe beginnt mit dem Anordnen der isolierenden Schicht 18 in
der Aussparung 10, derart dass die isolierende Schicht
den Boden 12 und die Seitenwände der Aussparung 10 bedeckt.
Sodann wird der Stromschalter 8 in der Aussparung 10 angeordnet,
ehe ein elektrisch isolierendes Harz 13 in die Aussparung 10 eingefüllt wird.
Das sodann ausgehärtete
Harz 13 bedeckt hier den Stromschalter 8 nicht
komplett und stellt im wesentlichen den Halt des Stromschalters 8 und
der isolierenden Schicht 18 in der Aussparung 10 sicher.
Die Platte 11 wird daraufhin in der Umhüllung angeordnet, so dass die
Fläche 14 an
der Innenfläche
der Umhüllung 17 anliegt.
Nun wird das Harz 23 in die Umhüllung 17 eingefüllt. Das
Harz wird über
die Rille 24 derart eingefüllt, dass ein Befüllen des
an das Ende 17a grenzenden Abschnitts der Umhüllung 17 nach
Art eines steigenden Gusses erzielt wird. So wird verhindert, dass
Luftblasen in dem Harz 23 eingeschlossen werden. Die Rille 24 erleichtert
auf diese Weise das Befüllen
der Umhüllung.
Das ausgehärtete
Harz 23 stellt den Halt der Umhüllung 17 der Platte 11 sicher
und erfüllt
ferner eine Funktion der elektrischen Isolierung.
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Die
Rille 24 hat einen weiteren Vorteil, wenn die Umhüllung 17 durch
das Zusammenrollen eines Blechs mit anschließendem Verschweißen der
Ränder
erzeugt ist. In diesem Fall weist die Umhüllung 17 einen der
Schweißnaht
entsprechenden inneren Wulst 25 auf, der derart in der
Rille 24 aufgenommen werden kann, dass der innere Wulst 25 einer
guten Anpassung der Fläche 14 an
die Innenfläche
der Umhüllung
nicht entgegegensteht.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
wie in den 5 und 6 dargestellt,
umfasst die Platte 11 auf der der Fläche 14 in Form eines
zylindrischen Abschnitts mit kreisförmigem Querschnitt abgewandten
Seite eine ebene Fläche 19,
an der der Stromschalter 8 befestigt ist. Zwischen der
Fläche 19 und
dem Stromschalter 8 befindet sich eine isolierende Schicht.
Die Befestigung des Stromschalters 8 ist mittels einer
Schraube 20 realisiert, die ein Loch 21 in dem
Stromschalter 8 durchsetzt und mit einer gestuften Hülse 22 aus
elektrisch isolierendem Material ausgestattet ist, die durch Zusammenwirken
mit der isolierenden Schicht 18 die Platte 11 und
die Schraube 20 des Stromschalters 8 elektrisch
isoliert.
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Die
Ableitung der beim Betrieb des Stromschalters erzeugten Wärme ist
somit durch die Umhüllung 17 über die
Platte 11 sichergestellt.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern
umfasst Ausführungsvarianten,
ohne dabei den durch die Ansprüche
festgelegten Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere
können
andere als die erwähnten
Materialien verwendet werden, sofern sie entsprechende Eigenschaften
aufweisen.
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Ferner
ist es möglich,
andere geeignete Arten der Befestigung der Platte in der Umhüllung und des
Stromschalters an der Platte vorzusehen.
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Des
Weiteren ist es möglich,
auf die Platte 11 zu verzichten und andere Mittel zum Austausch
von Wärme
vorzusehen.