DE69737359T2

DE69737359T2 - Verbesserter tauchheizkörper mit einer polymerbeschichtung mit hoher thermischer leitfähigkeit

Info

Publication number: DE69737359T2
Application number: DE69737359T
Authority: DE
Inventors: M. Charles Dallas ECKMAN; S. James Montgomery RODEN; Arie Montclair HOCHBERG
Original assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Current assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: AU723667B2; CN1130107C; EP0945046A4; WO1998027789A1; PL334022A1; CN1237317A; HU225925B1; DE69737359D1; ES2280084T3; US5930459A; HK1023479A1; JP2001506798A; TW391017B; BR9713584B1; CZ298229B6; HUP0000694A3; JP3669636B2; CA2269600C; EP0945046B1; PL185348B1

Description

Gebiet der Erindung
Diese Erfindung betrifft elektrische Widerstandsheizelemente und insbesondere polymerhaltige Widerstandsheizelemente zum Erwärmen von Gasen und Flüssigkeiten.
Allgemeiner Stand der Technik
Elektrische Widerstandsheizelemente, die in Verbindung mit Wassererhitzern verwendet werden, wurden herkömmlicherweise aus Metall- und Keramikkomponenten hergestellt. Eine typische Konstruktion enthält ein Paar Anschlussstifte, die an die Enden einer Ni-Cr-Spule hartgelötet sind, die dann axial durch einen U-förmigen röhrenförmigen Metallmantel geschoben wird. Die Widerstandsspule ist von dem Metallmantel durch ein pulverförmiges Keramikmaterial, in der Regel Magnesiumoxid, isoliert.
Obgleich solche herkömmlichen Heizelemente seit Jahrzehnten das Hauptarbeitsmittel für die Wassererhitzerindustrie sind, gibt es eine Reihe allgemein unbestrittener Schwachstellen. Zum Beispiel können galvanische Ströme, die zwischen dem Metallmantel und freiliegenden Metalloberflächen in dem Tank entstehen, ein Korrodieren der verschiedenen anodischen Metallkomponenten des Systems bewirken. Der Metallmantel des Heizelements, der in der Regel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, zieht auch Kalkablagerungen aus dem Wasser an, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Heizelements führen kann. Außerdem ist der Einsatz von Messinganschlüssen und Kupferrohren zunehmend teurer geworden, da der Preis für Kupfer im Lauf der Jahre gestiegen ist.
Als eine Alternative zu Metallelementen ist wenigstens ein elektrisches Heizelement mit Kunststoffmantel in Cunningham, US-Patent Nr. 3,943,328, vorgeschlagen worden. Bei der offenbarten Vorrichtung werden herkömmlicher Widerstandsdraht und pulverförmiges Magnesiumoxid in Verbindung mit einem Kunststoffmantel verwendet. Da dieser Kunststoffmantel nicht-leitend ist, wird keine galvanische Zelle mit den anderen Metallteilen der Heizeinheit gebildet, die mit dem Wasser im Tank in Kontakt stehen, und es entstehen auch keine Kalkverkrustungen. Leider konnten mit diesen zum Stand der Technik gehörenden Kunststoffmantelheizelementen aus verschiedenen Gründen keine hohen Nennleistungen über eine normale Grenznutzungsdauer hinweg erreicht werden, so dass sie keine weite Verbreitung fanden.
DE 38 36 387 offenbart eine plattenförmige Heizvorrichtung aus PTFE (Polytetrafluorethylen) zum Eintauchen in aggressive Flüssigkeiten, die einen flachen plattenförmigen Heizkörper und ein Heizelement enthält, das einen elektrischen Widerstand aufweist.
FR 2,517,918 offenbart einen Heizkörper mit einem elektrischen Element in Form von Widerstandsfilamenten, die in eine gerippte metallische Wärmeübertragungsstruktur in Form eines Steatitkerns eingebettet sind, wobei das elektrische Element aus einem Widerstandsdraht gebildet ist, der des Weiteren von einem dielektrischen Mantel umschlossen ist, der über den Draht und den Feuerfestbildner spritzbeschichtet wird. Die Struktur wird dann mit einem Überzugsfilm aus feuerfestem Schutzzement übergossen oder wird mit einem schützenden Metallmantel überzogen oder wird an der Seitenwand der Struktur spanabhebend bearbeitet oder geschliffen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Diese Erfindung stellt elektrische Widerstandsheizelemente zur Verwendung in Verbindung mit dem Erwärmen fluider Medien, wie zum Beispiel Luft und Wasser, bereit. Diese Elemente enthalten einen Elementkörper mit einer darauf angeordneten Stützfläche und einen Widerstandsdraht, der auf die Stützfläche gewunden ist und mit wenigstens einem Paar Anschluss-Endabschnitten des Elements verbunden ist. Über dem Widerstandsdraht und der Stützfläche ist eine wärmeleitfähige Polymerbeschichtung angeordnet, die eine hermetische Verkapselung um den Widerstandsdraht herum bildet, wobei die Stützfläche Teil eines inneren Formteils ist, das aus einem Hochtemperatur-Thermoplastpolymer besteht, wobei die Polymerbeschichtung ein wärmeleitfähiges, elektrisch nicht-leitendes keramisches Additiv umfasst und so darüber geformt ist, dass eine thermoplastische Verbindung mit der Stützfläche des inneren Formteils entsteht.
Als eine weitere Verbesserung hat die wärmeleitfähige Polymerbeschichtung einen Wärmeleitfähigkeitswert von wenigstens etwa 0,5 W/m°K.
Die wärmeleitfähige Polymerbeschichtung hat einen Wärmeleitfähigkeitswert von wenigstens etwa 0,5 W/m°K.
Die Heizelemente dieser Erfindung sind dafür ausgelegt, mehrere Nennleistungen von 1000 W bis etwa 6000 W und mehr zu ermöglichen. Zum Erwärmen von Gas können diese Elemente geringere Wattzahlen von weniger als etwa 1200 W ermöglichen. Die verbesserten wärmeleitfähigen Polymerbeschichtungen dieser Erfindung weisen Wärmeleitfähigkeitswerte auf, die eine deutlich verbesserte Wärmeableitung von dem Widerstandsdraht gestatten. Diese Eigenschaft macht es möglich, dass die offenbarten Elemente eine effiziente Fluiderwärmung ausführen, ohne die relativ dünnen Polymerbeschichtungen zu schmelzen. Beladungen im Bereich von etwa 60–200 Teilen Keramikmaterial je 100 Teile Harz in der Polymerbeschichtung sind bevorzugt. Die untere Grenze wird durch den Betrag an Wärmeleitfähigkeit festgelegt, die notwendig ist, um Fluide zu erwärmen, und die obere Grenze wird so eingestellt, dass ein leichteres Formen dieser Elemente durch Standardverarbeitungsweisen, wie zum Beispiel durch Spritzgießen, möglich ist. Faserverstärkungen haben sich ebenfalls schon als nützlich erwiesen, um der Polymerbeschichtung mechanische Festigkeit zu verleihen, damit sie während Wärmewechselbeanspruchungen, wie man sie zum Beispiel in einem Wassererhitzer antrifft, weder reißt noch sich verformt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie sonstige Informationen, die für die Offenbarung relevant sind.
In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 ist eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten polymeren Fluiderhitzers dieser Erfindung.
2 ist ein linksseitiger Aufriss des polymeren Fluiderhitzers von 1.
3 ist ein Frontaufriss, einschließlich teilweise quergeschnittener und geöffneter Ansichten, des polymeren Fluiderhitzers von 1.
4 ist eine vorderseitige Querschnittsansicht eines bevorzugten inneren Formteilabschnitts des polymeren Fluiderhitzers von 1.
5 ist eine vorderseitige teilweise Querschnittsansicht einer bevorzugten Terminierungsbaugruppe für den polymeren Fluiderhitzer von 1.
6 ist ein vergrößerter teilweiser Frontaufriss des Endes einer bevorzugten Wicklung für einen polymeren Fluiderhitzer dieser Erfindung.
7 ist ein vergrößerter teilweiser Frontaufriss einer Doppelwicklungsausführungsform für einen polymeren Fluiderhitzer dieser Erfindung.
8 ist eine perspektivische Vorderansicht eines bevorzugten Skelettstützrahmens des Heizelements dieser Erfindung.
9 ist eine vergrößerte teilweise Ansicht des bevorzugten Skelettstützrahmens von 8, die eine abgeschiedene wärmeleitfähige Polymerbeschichtung veranschaulicht.
10 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines alternativen Skelettstützrahmens.
11 ist ein Seitenaufriss des Skelettstützrahmens von 10.
12 ist ein Frontaufriss des kompletten Skelettstützrahmens von 10.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Diese Erfindung stellt elektrische Widerstandsheizelemente und Wassererhitzer bereit, die diese Elemente enthalten. Diese Vorrichtungen eignen sich zum Minimieren der galvanischen Korrosion in Wasser- und Ölerhitzern sowie der Entstehung von Verkalkungen und von Problemen einer verkürzten Elementlebensdauer. Im Sinne des vorliegenden Textes beziehen sich die Begriffe "Fluid" und "fluides Medium" sowohl auf Flüssigkeiten als auch auf Gase.
Wenden wir uns den Zeichnungen zu, und insbesondere den 1–3, wo ein bevorzugter polymerer Fluiderhitzer 100 dieser Erfindung gezeigt ist. Der polymere Fluiderhitzer 100 enthält ein elektrisch leitfähiges Widerstandsheizmaterial. Dieses Widerstandsheizmaterial kann zum Beispiel in der Form eines Drahtes, eines Maschennetzes, eines Bandes oder in Schlangenform vorliegen. In der bevorzugten Heizvorrichtung 100 ist eine Wicklung 14 mit einem Paar freier Enden, die mit einem Paar Anschluss-Endabschnitten 12 und 16 verbunden sind, zum Erzeugen einer Widerstandserwärmung vorhanden. Die Wicklung 14 ist mit einer integralen Schicht aus einem Hochtemperatur-Polymermaterial hermetisch und elektrisch gegen Fluid isoliert. Oder anders ausgedrückt: Das aktive Widerstandsheizmaterial ist durch die Polymerbeschichtung vor Kurzschlüssen in dem Fluid geschützt. Das Widerstandsmaterial dieser Erfindung ist von ausreichender Oberfläche, Länge oder Querschnittsdicke, um Wasser auf eine Temperatur von wenigstens etwa 48,9°C (120°F) zu erwärmen, ohne die Polymerschicht zu schmelzen. Wie aus der folgenden Besprechung deutlich wird, kann dies durch eine sorgfältige Auswahl der richtigen Materialien und ihrer Abmessungen bewerkstelligt werden.
Wenden wir uns speziell 3 zu. Der bevorzugte polymere Fluiderhitzer 100 weist im Allgemeinen drei integrale Teile auf eine Terminierungsbaugruppe 200, die in 5 gezeigt ist, ein inneres Formteil 300, das in 4 gezeigt ist, und eine Polymerbeschichtung 30. Es werden nun jede dieser Teilkomponenten und ihr schlussendlicher Einbau in den polymeren Fluiderhitzer 100 näher erläutert.
Das bevorzugte innere Formteil 300, das in 4 gezeigt ist, ist eine einstückige Spritzgusskomponente aus einem Hochtemperatur-Thermoplastpolymer. Das innere Formteil 300 enthält zweckmäßigerweise einen Flansch 32 an seinem äußersten Ende. Neben dem Flansch 32 befindet sich ein Bandabschnitt mit mehreren Gewindegängen 22. Die Gewindegänge 22 sind dafür ausgelegt, in den Innendurchmesser einer Montageöffnung durch die Seitenwand eines Speichertanks, zum Beispiel in einem Wassererhitzertank 13, zu passen. Ein (nicht gezeigter) O-Ring kann an der Innenfläche des Flansches 32 verwendet werden, um eine zuverlässigere Wasserabdichtung herzustellen. Das bevorzugte innere Formteil 300 enthält außerdem einen Thermistorhohlraum 39, der sich in seinem bevorzugten kreisrunden Querschnitt befindet. Der Thermistorhohlraum 39 kann eine Endwand 33 enthalten, um den Thermistor 25 von Fluid zu trennen. Der Thermistorhohlraum 39 ist vorzugsweise durch den Flansch 32 offen, um ein einfaches Einführen der Terminierungsbaugruppe 200 zu ermöglichen. Das bevorzugte innere Formteil 300 enthält des Weiteren wenigstens ein Paar Leiterhohlräume 31 und 35, die zwischen dem Thermistorhohlraum und der Außenwand des inneren Formteils angeordnet sind, um den Leiterstab 18 und den Anschlussleiter 20 der Terminierungsbaugruppe 200 aufzunehmen. Das innere Formteil 300 enthält eine Reihe radialer Ausrichtungsnuten 38, die entlang seines Außenumfangs angeordnet sind. Diese Nuten können Gewindegänge oder unverbundene Gräben usw. sein und sollten ausreichend voneinander beabstandet sein, um einen Sitz zum elektrischen Trennen der Wendel der bevorzugten Wicklung 14 zu bilden.
Das bevorzugte innere Formteil 300 kann mittels Spritzgussverfahren hergestellt werden. Der Durchflusshohlraum 11 wird vorzugsweise unter Verwendung eines 31,75 cm (12,5 Inch) langen hydraulisch betätigten Kernzugs hergestellt, wodurch ein Element entsteht, das etwa 33,02–45,72 cm (13–18 Inch) lang ist. Das innere Formteil 300 kann unter Verwendung eines ringförmigen Angusses, der gegenüber dem Flansch 32 angeordnet ist, in eine Metallform gefüllt werden. Die Sollwanddicke für den Abschnitt 10 des aktiven Elements ist zweckmäßigerweise geringer als 1,27 cm (0,5 Inch) und vorzugsweise geringer als 0,254 cm (0,1 Inch), mit einem Sollbereich von etwa 0,1016–0,1524 cm (0,04–0,06 Inch), was als die derzeitige Untergrenze für Spritzgusswerkzeuge angesehen wird. Außerdem sind ein Paar Haken oder Stifte 45 und 55 entlang dem Entwicklungsabschnitt 10 des aktiven Elements zwischen aufeinander folgenden Gewindegängen oder Gräben ausgeformt, um einen Terminierungspunkt oder Anker für die Wendel einer oder mehrerer Wicklungen zu bilden. Es können auch seitliche Kernzüge und ein Endkernzug durch den Flanschabschnitt hindurch verwendet werden, um den Thermistorhohlraum 39, den Durchflusshohlraum 11, die Leiterhohlräume 31 und 35 und die Durchflussöffnungen 57 während des Spritzgießens auszubilden.
Es wird nun unter Bezug auf 5 die bevorzugte Terminierungsbaugruppe 200 besprochen. Die Terminierungsbaugruppe 200 hat eine Polymerendkappe 28, die dafür ausgelegt ist, ein Paar Anschlussverbindungen 23 und 24 aufzunehmen. Wie in 2 gezeigt, können die Anschlussverbindungen 23 und 24 Gewindelöcher 34 und 36 zum Aufnehmen eines Gewindeverbinders, wie zum Beispiel einer Schraube, enthalten, um externe elektrische Drähte zu montieren. Die Anschlussverbindungen 23 und 24 sind die Endabschnitte des Anschlussleiters 20 und des Thermistorleiterstabes 21. Der Thermistorleiterstab 21 verbindet die Anschlussverbindung 24 elektrisch mit dem Thermistoranschluss 27. Der andere Thermistoranschluss 29 ist mit dem Thermistorleiterstab 18 verbunden, der dafür ausgelegt ist, in den Leiterhohlraum 35 entlang des unteren Abschnitts von 4 zu passen. Um den Stromkreis zu schließen, ist ein Thermistor 25 angeordnet. Optional kann der Thermistor 25 durch einen Thermostat, einen Festkörper-TCO oder lediglich durch ein Erdungsband ersetzt werden, das mit einem externen Leistungsschalter oder dergleichen verbunden ist. Es wird davon ausgegangen, dass das (nicht gezeigte) Erdungsband nahe einem der Anschluss-Endabschnitte 16 oder 12 angeordnet werden könnte, damit während des Schmelzens des Polymers ein Kurzschluss entsteht.
In der bevorzugten Umgebung ist der Thermistor 25 ein Schnappthermostat/thermoprotektor, wie zum Beispiel die Baureihe Model W, die von Portage Electric verkauft wird. Dieser Thermoprotektor hat kompakte Abmessungen und eignet sich für Belastungen von 1201240 V Wechselspannung. Er weist eine leitfähige Bimetallkonstruktion mit einem elektrisch aktiven Gehäuse auf. Die Endkappe 28 ist vorzugsweise ein separat geformtes Polymerteil.
Nachdem die Terminierungsbaugruppe 200 und das innere Formteil 300 hergestellt sind, werden sie vorzugsweise zusammengebaut, bevor die offenbarte Wicklung 14 über die Ausrichtungsnuten 38 des Abschnitts 10 des aktiven Elements gewunden wird. Dabei muss man aufpassen, einen geschlossenen Stromkreis mit den Anschluss-Endabschnitten 12 und 16 der Wicklung herzustellen. Dies kann durch Hartlöten, Weichlöten oder Punktschweißen der Anschluss-Endabschnitte 12 und 16 der Wicklung an den Anschlussleiter 20 und den Thermistorleiterstab 18 bewerkstelligt werden. Es ist auch wichtig, die Wicklung 14 richtig über dem inneren Formteil 300 zu positionieren, bevor die Polymerbeschichtung 30 aufgebracht wird. Gemäß der Erfindung wird die Polymerbeschichtung 30 darüber ausgebildet, so dass eine thermoplastische polymere Verbindung mit dem inneren Formteil 300 entsteht. Wie bei dem inneren Formteil 300 können während des Formungsprozesses Kernzüge in das Formteil eingeführt werden, um die Durchflussöffnungen 57 und den Durchflusshohlraum 11 offen zu halten.
In den 6 und 7 sind Einzel- und Doppelwiderstandsdraht-Ausführungsformen für die polymeren Widerstandsheizelemente dieser Erfindung gezeigt. Bei der Einzeldraht-Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, dienen die Ausrichtungsnuten 38 des inneren Formteils 300 dazu, ein erstes Drahtpaar mit Wendeln 42 und 43 in eine Wicklungsform zu wickeln. Da die bevorzugte Ausführungsform einen gefalteten Widerstandsdraht enthält, wird der Endabschnitt des Faltungs- oder Wendelendes 44 abgedeckt, indem er um einen Stift 45 herum gebogen wird. Der Stift 45 ist idealerweise ein Teil des inneren Formteils 300 und ist zusammen mit dem inneren Formteil 300 spritzgegossen.
Gleichermaßen kann eine Doppelwiderstandsdraht-Konfiguration hergestellt werden. In dieser Ausführungsform ist das erste Paar Wendel 42 und 43 des ersten Widerstandsdrahtes von dem nächstfolgenden Paar Wendel 46 und 47 in demselben Widerstandsdraht durch ein Sekundärwicklungswendelende 54 getrennt, das um einen zweiten Stift 55 herum gewickelt ist. Ein zweites Paar Wendel 52 und 53 eines zweiten Widerstandsdrahtes, die elektrisch mit dem Sekundärwicklungswendelende 54 verbunden sind, werden dann um das innere Formteil 300 neben den Wendeln 46 und 47 in dem nächstbenachbarten Paar Ausrichtungsnuten gewunden. Obgleich die Doppelwicklungsbaugruppe abwechselnde Wendelpaare für jeden Draht zeigt, versteht es sich, dass die Wendel auch nach Wunsch in Gruppen aus zwei oder mehr Wendeln für jeden Widerstandsdraht oder in unregelmäßigen Zahlen und Wicklungsformen gewunden sein können, solange ihre leitfähigen Wicklungen durch das innere Formteil oder ein anderes Isolationsmaterial, wie zum Beispiel separate Kunststoffbeschichtungen usw., voneinander isoliert bleiben.
Die Kunststoffteile dieser Erfindung, wie zum Beispiel die Polymerbeschichtung 30, der Skelettstützrahmen 70 und das innere Formteil 300, enthalten vorzugsweise ein "Hochtemperatur"-Polymer, das sich bei Fluidmediumtemperaturen von etwa 48,9–82,2°C (120–180°F) und Wicklungstemperaturen von etwa 232,2–343,3°C (450–650°F) nicht nennenswert verformt oder schmilzt. Thermoplastische Polymere mit einer Schmelztemperatur von über 93,3°C (200°F) und vorzugsweise über der Wicklungstemperatur eignen sich für diese Erfindung. Zu bevorzugtem thermoplastischen Material kann gehören: Fluorkohlenwasserstoffe, Polyarylsulphone, Polyimide, Bismaleimide, Polypathalamide, Polyetheretherketone, Polyphenylensulphide, Polyethersulphone und Gemische und Copolymere dieser Thermoplastkunststoffe.
In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist Polyphenylensulphid ("PPS") ganz besonders bevorzugt, weil es sich für höhere Temperaturen eignet, wenig kostet und sich einfacher verarbeiten lässt, insbesondere während des Spritzgießens.
Die Polymere dieser Erfindung können, bis zu etwa 5–60 Gewichtsprozent Verstärkungsfasern enthalten. Faserverstärkte Thermoplastkunststoffe und Thermostaten erhöhen die Festigkeit enorm. Zum Beispiel erhöhen kurze Glasfasern mit etwa 30 Gewichtsprozent Beladung die Zugfestigkeit von technischen Kunststoffen um einen Faktor von etwa zwei. Zu bevorzugten Fasern gehören Schnittglas, wie zum Beispiel E-Glas oder S-Glas, Bor, Aramid, wie zum Beispiel Kevlar^® 29 oder 49, und Graphit- und Kohlefasern, einschließlich Graphit mit hohem Zugmodul. Zu weiteren zweckmäßigen Fasern gehören wärmebehandeltes Polyphenylenbenzobisthiazol (PBT)- und Polyphenylenbenzobisoxozol (PBO)-Fasern und 2 % Dehnungskohle-/-graphitfasern.
Diese Polymere werden mit Additiven vermischt, um die Wärmeleitfähigkeits- und Formtrennungseigenschaften zu verbessern. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die Beigabe von Metalloxiden, -nitriden, -carbonaten oder -carbiden (im Weiteren mitunter als "keramische Additive" bezeichnet) und geringen Konzentrationen von Kohlenstoff oder Graphit verbessert werden. Solche Additive können die Form von Pulver, Flocken oder Fasern haben. Zu guten Beispielen gehören Oxide, Carbide, Carbonate und Nitride von Zinn, Zink, Kupfer, Molybdän, Calcium, Titan, Zirconium, Bor, Silicium, Yttrium, Aluminium oder Magnesium oder Glimmer, Glaskeramikmaterialien oder Quarzgut.
Die Beladungen in der Polymermatrix für diese wärmeleitfähigen Materialien liegen bevorzugt in einem Bereich von etwa 60 bis 200 Teilen Additiv auf 100 Teile Harz ("PPH") und besonders bevorzugt etwa 80–180 PPH. Diese Additive sind im Allgemeinen elektrisch nicht-leitfähig, obgleich leitfähige Additive, wie zum Beispiel Metallfasern und -pulverflocken, von Metallen wie zum Beispiel Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Messing, und höhere Konzentrationen von Kohlenstoff oder Graphit verwendet werden könnten, wenn anschließend eine stärker elektrisch isolierte Polymerschicht darüber ausgeformt oder aufbeschichtet wird. Wenn ein elektrisch leitfähiges Additiv verwendet wird, so muss darauf geachtet werden, den Kern elektrisch zu isolieren, um einen Kurzschluss zwischen den Wicklungen zu verhindern.
Es ist jedoch wichtig, dass die oben genannten Additive nicht im Übermaß verwendet werden, da bekannt ist, dass ein Zuviel an Verstärkungsfasern oder Metall- oder Metalloxidadditiven die Formgebungsverfahren behindert. Alle polymeren Elemente dieser Erfindung können mit jeder beliebigen Kombination dieser Materialien hergestellt werden, oder ausgewählte dieser Polymere können je nach dem Endverwendungszweck für das Element für verschiedene Teile dieser Erfindung mit Additiven oder ohne Additive verwendet werden.
Diese Erfindung zieht ausdrücklich in Betracht, dass viele Kombinationen aus polymerem Harz, Glasfasern und unterschiedlichen wärmeleitfähigen Füllstoffen in verschiedenen prozentualen Anteilen in Polymerzusammensetzungen verwendet werden, um wünschenswerte Wärmeleitfähigkeitswerte für Heizelemente mit verschiedenen Nennleistungen zu erzeugen. Neben Verstärkungen und wärmeleitfähigen Füllstoffen können die Kunststoffzusammensetzungen dieser Erfindung des Weiteren Formtrennungsadditive, Schlagmodifikatoren und thermooxidative Stabilisatoren enthalten, die nicht nur das Produktverhalten von Kunststoffteilen verbessern und die Lebensdauer des Heizelements verlängern, sondern auch den Formgebungsprozess unterstützen.
Die in Tabelle 1 unten aufgelisteten Zusammensetzungen wurden durch Compoundieren von Polyphenylensulfid mit den angegebenen Mengen Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Schnittglasfasern gemäß einschlägig bekannten Verfahren hergestellt. Pellets dieser Materialien wurden spritzgegossen, um ASTM-Prüfstücke herzustellen, die gemäß ASTM-Verfahren getestet wurden, um die Zugfestigkeits-, Biegefestigkeits-, Biegemodul- und Kerbschlagbiegeversuchsdaten zu erhalten, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Wärmeleitfähigkeitswerte wurden in ähnlicher Weise erhalten.
Es wurde festgestellt, dass das Vergleichsbeispiel 1 eine Wärmeleitfähigkeit aufwies, die zu gering war, um in Wasserheizelementen von Nutzen zu sein. Wenn Material von Beispiel 8, das die größte Wärmeleitfähigkeit aufwies, über einen gewickelten Kern spritzgegossen wurde, um das Wasserheizelement dieser Erfindung herzustellen, kam es bei Wanddicken unter 0,0762 cm (0,030 Inch) zu Rissbildung und Brüchen. Wanddicken von über 0,0762 cm (0,030 Inch) hingegen ermöglichen solche höheren Beladungen. Dies beweist, dass die Zug- und Biegefestigkeit sowie die Schlagfestigkeit durch die Beigabe von pulverförmigen keramischen Additiven beeinträchtigt werden, dass aber Änderungen beim Elementdesign und den Harzen genutzt werden können, um die Auswirkungen hoher Beladungen zu beseitigen.
Idealerweise sollte die Zugfestigkeit der Polymerbeschichtung wenigstens etwa 492 kg/cm² (7.000 psi) und bevorzugt etwa 527–703 kg/cm² (7.500–10.000 psi) betragen, sofern eine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit beibehalten wird. Der Biegemodul bei Betriebstemperaturen sollte wenigstens etwa 35.150 kg/cm² (500 Kpsi) und bevorzugt mehr als 703.000 kg/cm² (1000 Kpsi) betragen.
Schließlich wurde von allen Materialien aus Tabelle 1 befunden, dass jene Materialien, die den Beispielen 6 und 7 entsprechen, am besten für Wasserheizelemente geeignet waren, weil sie die beste Ausgewogenheit von strukturellen und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufwiesen. Natürlich sollen keramische Beladungen von etwa 60–200 PPH dazu dienen, die Wärmeleitfähigkeit so weit wie möglich zu steigern, ohne das Formgebungsverfahren zu beeinträchtigen. Die Wärmeleitfähigkeit der resultierenden Beschichtung sollte wenigstens etwa 0,5 W/m K, bevorzugt etwa 0,7 W/m K und ganz besonders bevorzugt mehr als etwa 1 W/m K betragen.
Diese Zusammensetzungen werden beispielhaft aufgezeigt und sollen keine Einschränkung darstellen. Dem Fachmann dürfte jedoch klar sein, dass es zahllose Kombinationen verschiedener leitfähiger Füllstoffe mit Verstärkungsfasern in Harzen gibt, die ebenfalls optimiert werden können, um in geeigneter Weise in der Vorrichtung dieser Erfindung zu funktionieren. Zu solchen Kombinationen könnte zum Beispiel Hochtemperatur-LCP- oder -PEEK-Harz mit Bornitrid- und Schnittglasadditiven gehören, oder – wenn die Kosten eine Rolle spielen – ein PPS-Harz und Al₂O₃ oder MgO und Schnittglasadditive.
Das Widerstandsmaterial, das zum Leiten von elektrischem Strom und Erzeugen von Wärme in den Fluiderhitzern dieser Erfindung verwendet wird, enthält vorzugsweise ein Widerstandsmetall, das elektrisch leitfähig und wärmebeständig ist. Ein beliebtes Metall ist Ni-Cr-Legierung, obgleich auch bestimmte Kupfer-, Stahl- und Edelstahllegierungen geeignet sein könnten. Es wird des Weiteren in Betracht gezogen, dass leitfähige Polymere, die zum Beispiel Graphit-, Kohlenstoff- oder Metallpulver oder -fasern enthalten, als ein Ersatz für metallisches Widerstandsmaterial verwendet werden können, solange sie in der Lage sind, genügend Widerstandswärme zu erzeugen, um Fluide wie zum Beispiel Wasser zu erwärmen. Die übrigen elektrischen Leiter des bevorzugten polymeren Fluiderhitzers 100 können ebenfalls unter Verwendung dieses leitfähigen Materials hergestellt werden.
Als eine Alternative zu dem bevorzugten inneren Formteil 300 dieser Erfindung hat sich herausgestellt, dass ein Skelettstützrahmen 70, der in den 8 und 9 gezeigt ist, zusätzliche Vorteile bietet. Wenn ein massives inneres Formteil 300, wie zum Beispiel eine Röhre, in Spritzgussverfahren verwendet wurde, so kam es gelegentlich zu ungenügendem Befüllen der Form aufgrund von Heizvorrichtungsdesigns, die dünne Wanddicken von bis zu lediglich 0,0635 cm (0,025 Inch) und außergewöhnliche Längen von bis zu 35,56 cm (14 Inch) erfordern. Das wärmeleitfähige Polymer stellte auch ein Problem dar, weil es zweckmäßigerweise Additive enthielt, wie zum Beispiel Glasfasern und Keramikpulver, Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Magnesiumoxid (MgO), wodurch das schmelzflüssige Polymer extrem viskos wurde. Infolge dessen wurden übermäßig starke Drücke benötigt, um die Form richtig zu befüllen, und mitunter führte dieser Druck zum Öffnen der Form.
Um das Auftreten solcher Probleme zu minimieren, zieht diese Erfindung die Verwendung eines Skelettstützrahmens 70 mit mehreren Öffnungen und einer Stützfläche zum Halten des Widerstandsheizdrahtes 66 in Betracht. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Skelettstützrahmen 70 ein röhrenförmiges Element mit etwa 6–8 voneinander beabstandeten Längskeilprofilen 69, die sich entlang des Rahmens 70 erstrecken. Die Keilprofile 69 werden durch eine Reihe von Stützringen 60 zusammengehalten, die über die Länge des röhrenförmigen Elements in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Diese Stützringe 60 sind bevorzugt weniger als etwa 0,127 cm (0,05 Inch) dick und besonders bevorzugt etwa 0,0635–0,0762 cm (0,025–0,030 Inch) dick. Die Keilprofile 69 sind an der Oberseite bevorzugt etwa 0,3175 cm (0,125 Inch) breit und verjüngen sich zweckmäßigerweise zu einer spitzen Wärmeübertragungsrippe 62. Diese Rippen 62 sollten sich, nachdem die Polymerbeschichtung 64 aufgebracht wurde, wenigstens etwa 0,3175 cm (0,125 Inch) und bis zu 0,635 cm (0,250 Inch) über den Innendurchmesser des letzten Elements hinaus erstrecken, um eine maximale Wärmeleitung in Fluide, wie zum Beispiel Wasser, zu bewirken.
Die äußere Wurzelfläche der Keilprofile 69 enthält bevorzugt Nuten, die eine doppelte schraubenförmige Ausrichtung des bevorzugten Widerstandsheizdrahtes 66 aufnehmen kann.
Obgleich diese Erfindung die Wärmeübertragungsrippen 62 als Teil des Skelettstützrahmens 70 beschreibt, können solche Rippen 62 auch als Teil der Stützringe 60 oder der darüber aufgebrachten Polymerbeschichtung 64 oder von mehreren dieser Flächen ausgehend ausgebildet sein. Gleichermaßen können die Wärmeübertragungsrippen 62 auf der Außenseite der Keilprofile 69 angeordnet sein, so dass sie die Polymerbeschichtung 64 durchstoßen. Außerdem zieht diese Erfindung in Betracht, mehrere unregelmäßige oder geometrisch geformte Höcker oder Vertiefungen entlang der Innen- oder Außenseite der hergestellten Heizelemente anzuordnen. Es ist bekannt, dass solche Wärmeübertragungsflächen das Abführen von Wärme von Oberflächen in Flüssigkeiten hinein unterstützen. Sie können auf verschiedenen Wegen ausgebildet werden, zum Beispiel indem man sie in die Oberfläche der Polymerbeschichtung 64 oder der Rippen 62 spritzgießt, sie ätzt, sandstrahlt oder mechanisch die Außenflächen der Heizelemente dieser Erfindung bearbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung enthält der Skelettstützrahmen 70 thermoplastisches Harz, bei dem es sich um eines der "Hochtemperatur"-Polymere handeln kann, die im vorliegenden Text beschrieben sind, wie zum Beispiel Polyphenylensulphid ("PPS"), mit einer geringen Menge Glasfasern für die Tragfähigkeit und optional Keramikpulver, wie zum Beispiel Al₂O₃ oder MgO, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Alternativ kann der Skelettstützrahmen ein Schmelzkeramikelement sein, zum Beispiel eines oder mehrere der Folgenden: Alumosilikat, Al₂O₃, MgO, Graphit, ZrO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, SiC, SiO₂ usw.; oder ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymer, das sich von den "Hochtemperatur"-Polymeren unterscheidet, die zur Verwendung mit der Beschichtung 30 vorgeschlagen wurden. Wenn ein Thermoplastkunststoff für den Skelettstützrahmen 70 verwendet wird, so sollte er eine Wärmeablenktemperatur haben, die höher ist als die Temperatur des schmelzflüssigen Polymers, das zum Formen der Beschichtung 30 verwendet wird.
Der Skelettstützrahmen 70 wird in eine Drahtwickelmaschine eingebracht, und der bevorzugte Widerstandsheizdraht 66 wird in einer doppelschraubenförmigen Konfiguration um den Skelettstützrahmen 70 auf der bevorzugten Stützfläche, d. h. in den voneinander beabstandeten Nuten 68, gefaltet und gewunden. Der vollständig umwickelte Skelettstützrahmen 70 wird anschließend in die Spritzgussform eingebracht und wird dann mit einer der bevorzugten Polymerharzformulierungen dieser Erfindung überzogen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt danach nur noch ein kleiner Abschnitt der Wärmeübertragungsrippe 62 frei, um mit Fluid in Kontakt zu treten, und der Rest des Skelettstützrahmens 70 wird sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite mit dem geformten Harz überzogen, wenn er eine Röhrenform hat. Dieser freiliegende Abschnitt macht bevorzugt weniger als etwa 10 Prozent der Oberfläche des Skelettstützrahmens 70 aus.
Die offenen Querschnittsflächen, welche die mehreren Öffnungen des Skelettstützrahmens 70 bilden, gestatten ein leichteres Befüllen und eine größere Bedeckung des Widerstandsheizdrahtes 66 mit dem geformten Harz, während das Auftreten von Blasen und Wärmekonzentrationspunkten minimiert wird. In bevorzugten Ausführungsformen sollten die offenen Flächen wenigstens etwa 10 Prozent und bevorzugt mehr als 20 Prozent der gesamten röhrenförmigen Oberfläche des Skelettstützrahmens 70 ausmachen, so dass schmelzflüssiges Polymer leichter um den Stützrahmen 70 und den Widerstandsheizdraht 66 herum fließen kann.
Ein alternativer Skelettstützrahmen 200 ist in den 10–12 veranschaulicht. Der alternative Skelettstützrahmen 200 enthält außerdem mehrere Längskeilprofile 268 mit voneinander beabstandeten Nuten 260 zum Aufnehmen eines (nicht gezeigten) umwickelten Widerstandsheizdrahtes. Die Längskeilprofile 268 werden vorzugsweise mit voneinander beabstandeten Trägerringen 266 zusammengehalten. Die voneinander beabstandeten Trägerringe 266 enthalten ein "Wagenrad"-Design mit mehreren Speichen 264 und einer Nabe 262. Dadurch entsteht eine höhere Tragfähigkeit über den Skelettstützrahmen 70 hinweg, ohne nennenswert die bevorzugten Spritzgussverfahren zu behindern.
Alternativ können die Polymerbeschichtungen dieser Erfindung auch aufgebracht werden, indem die offenbarten Skelettstützrahmen 70 oder 200 und der drahtumwickelte Kern 10 zum Beispiel in eine Wirbelschicht eines pelletisierten oder pulverisierten Polymers, wie zum Beispiel PPS, eingetaucht wird. Bei einem solchen Prozess sollte der Widerstandsdraht auf die Skelettstützfläche gewunden und mit Energie beaufschlagt werden, um Wärme zu erzeugen. Wenn PPS verwendet wird, so sollte eine Temperatur von wenigstens etwa 260°C (500°F) erzeugt werden, bevor der Skelettstützrahmen in die Wirbelschicht des pelletisierten Polymers getaucht wird. Die Wirbelschicht gestattet einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem pelletisierten Polymer und dem erwärmten Widerstandsdraht, so dass eine Polymerbeschichtung im Wesentlichen gleichmäßig und vollständig um den Widerstandsheizdraht herum und im Wesentlichen um den Skelettstützrahmen herum erzeugt wird. Das entstandene Element kann eine relativ massive Struktur enthalten oder eine erhebliche Anzahl offener Querschnittsflächen aufweisen, obgleich davon ausgegangen wird, dass der Widerstandsheizdraht hermetisch von einem Fluidkontakt abgekapselt sein sollte. Es versteht sich des Weiteren, dass der Skelettstützrahmen und der Widerstandsheizdraht vorgewärmt werden können, anstatt den Widerstandsheizdraht mit Energie zu beaufschlagen, um genügend Wärme zu erzeugen, um die Polymerpellets auf seine Oberfläche aufzuschmelzen. Dieser Prozess kann auch ein Erwärmen im Anschluss an das Wirbelschichtverfahren beinhalten, um eine gleichmäßigere Beschichtung zu erzeugen. Der einschlägig bewanderte Fachmann auf dem Gebiet der derzeitigen Polymertechnologie kann noch weitere Modifikationen vornehmen.
Die Standardnennleistung der bevorzugten polymeren Fluiderhitzer dieser Erfindung, die zum Erwärmen von Wasser verwendet werden, beträgt 240 V und 4500 W, obgleich die Länge und der Drahtdurchmesser der leitenden Wicklungen 14 verändert werden können, um mehrere Nennleistungen von 1000 W bis etwa 6000 W und bevorzugt zwischen etwa 1700 W und 4500 W bereitzustellen. Zum Erwärmen von Gasen können niedrigere Wattzahlen von etwa 100–1200 W verwendet werden. Doppelte und sogar dreifache Wattleistungen können bereitgestellt werden, indem man mehrere Wicklungen oder Widerstandsmaterialien verwendet, die an verschiedenen Abschnitten entlang des Abschnitts 10 des aktiven Elements terminieren.
Aus dem oben Dargelegten ist zu erkennen, dass diese Erfindung verbesserte Fluidheizelemente zur Verwendung in allen Arten von Fluidheizvorrichtungen, einschließlich Wassererhitzern und Ölraumerhitzern, bereitstellt. Die bevorzugten Vorrichtungen dieser Erfindung sind überwiegend polymer, um die Kosten zu minimieren und um die galvanische Wirkung in Fluidspeichertanks wesentlich zu reduzieren. In bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung können die polymeren Fluiderhitzer in Verbindung mit einem polymeren Speichertank verwendet werden, um die Entstehung einer metallionenbezogenen Korrosion ganz und gar zu vermeiden.
Alternativ können diese polymeren Fluiderhitzer dafür ausgelegt sein, separat als ihr eigener Speicherbehälter verwendet zu werden, um Gase oder Fluide gleichzeitig zu speichern und zu erwärmen. In einer solchen Ausführungsform könnte der Durchflusshohlraum 11 in Gestalt eines Tanks oder Speicherbeckens geformt sein, und die Heizwicklung 14 könnte in der Wand des Tanks oder Beckens enthalten sein und mit Energie beaufschlagt werden, um ein Fluid oder Gas in dem Tank oder Becken zu erwärmen. Die Heizvorrichtungen dieser Erfindung könnten auch in Lebensmittelerwärmungsvorrichtungen, Lockenwicklerheizvorrichtungen, Haartrocknern, Ondulierstäben, Bügeleisen und Erholungsheizvorrichtungen in Bädern und Schwimmbecken verwendet werden.
Diese Erfindung ist ebenso für Durchlauferhitzer geeignet, wobei ein fluides Medium durch ein polymeres Rohr strömt, das eine oder mehrere der Wicklungen oder Widerstandsmaterialien dieser Erfindung enthält. Während das fluide Medium am Innendurchmesser eines solchen Rohres entlang strömt, wird Widerstandswärme durch die polymere Wand am Innendurchmesser des Rohres erzeugt, um das Gas oder die Flüssigkeit zu erwärmen. Durchlauferhitzer eignen sich in Haartrocknern und in Bedarfserhitzern, die oft als Wasserdurchlauferhitzer verwendet werden.
Obgleich verschiedene Ausführungsformen veranschaulicht wurden, dienen diese der Beschreibung und nicht der Einschränkung der Erfindung.

Claims

Widerstandsheizelement zum Erwärmen eines fluiden Mediums, wobei das Widerstandsheizelement Folgendes aufweist: einen Elementkörper mit einer darauf angeordneten Stützfläche, und eine Wicklung (14) aus Widerstandsdraht, der auf die Stützfläche gewunden ist und mit wenigstens einem Paar Anschluss-Endabschnitten (12, 16) des Elements verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeleitfähige Polymerbeschichtung (30, 64) über der Wicklung (14) angeordnet ist und die Stützfläche zum hermetischen Verkapseln und elektrischen Isolieren der Wicklung (14) gegen das fluide Medium dient, wobei – die Stützfläche Teil eines inneren Formteils (300) ist, das aus einem Hochtemperatur-Thermoplastpolymer besteht, – die Polymerbeschichtung (30, 64) ein wärmeleitfähiges, elektrisch nichtleitendes keramisches Additiv umfasst und – so darüber geformt ist, dass eine thermoplastische Verbindung mit der Stützfläche des inneren Formteils (300) entsteht.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30, 64) einen Wärmeleitfähigkeitswert von mindestens etwa 0,5 W/m K hat.
Heizelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30, 64) ein Thermoplastharz mit einem Schmelzpunkt von über 93,3°C aufweist.
Heizelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30, 64) eine Faserverstärkung aufweist.
Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung Glas-, Bor-, Graphit-, Aramid- oder Kohlefasern aufweist.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Additiv ein Nitrid, ein Oxid oder ein Carbid umfasst.
Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30, 64) eine Beladung von etwa 60–200 Teilen des keramischen Additivs je einhundert Teile des Polymers in der Polymerbeschichtung (30, 64) umfasst.
Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (30, 64) spritzgegossen ist.
Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (14) während eines Formungsvorgangs vollständig innerhalb der Polymerbeschichtung (30, 64) verkapselt wird.
Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer Wand eines Tanks (13) eines Wasserkochers angebracht ist, um einen Teil des fluiden Mediums in dem Tank einem Widerstandsheizvorgang zu unterziehen, und wobei der Elementkörper einen Stützrahmen (300) aufweist, wobei die Wicklung (14) aus Widerstandsdraht auf die Stützfläche des Stützrahmens (300) gewickelt ist; und wobei die wärmeleitfähige Polymerbeschichtung über der Wicklung aus Widerstandsdraht und einem größeren Abschnitt des Stützrahmens (300) angeordnet ist, um die Wicklung (14) aus Widerstandsdraht gegen das fluide Medium hermetisch zu verkapseln und elektrisch zu isolieren, wobei das wärmeleitfähige, elektrisch nicht-leitende Additiv der Polymerbeschichtung einen Wärmeleitfähigkeitswert von mindestens etwa 0,5 W/m K erbringt.
Verfahren zum Herstellen eines Widerstandsheizelements zum Erwärmen eines Fluids, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Wickeln eines Widerstandsheizdrahtes auf einen Stützrahmen des Heizelements; und Aufbringen einer wärmeleitfähigen, elektrisch nicht-leitenden Polymerbeschichtung über dem Widerstandsheizdraht und einem größeren Abschnitt des Stützrahmens, um den Draht gegen das Fluid elektrisch zu isolieren und hermetisch zu verkapseln, wobei die wärmeleitfähige Polymerbeschichtung ein wärmeleitfähiges, elektrisch nicht-leitendes keramisches Additiv umfasst und einen Wärmeleitfähigkeitswert von mindestens etwa 0,5 W/m K aufweist, und Herstellen einer thermoplastischen Verbindung mit dem Stützrahmen, der aus einem Hochtemperatur-Thermoplastpolymer besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Polymerbeschichtung Spritzgießen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung etwa 60–200 Teile eines keramischen Additivs je einhundert Teile des Polymers in der Polymerbeschichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung ein Thermoplastharz, ein keramisches Pulver und gehäckselte Glasfasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplastharz Polyphenylensylphid umfasst und der Wärmeleitfähigkeitswert größer als etwa 0,7 W/m K ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplastharz ein Flüssigkristallpolymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Polymerbeschichtung das Tauchen des Drahtes und des Stützrahmens in eine Wirbelschicht aufweist.