AT406535B

AT406535B - Vorrichtung zur erwärmung eines strömenden mediums, insbesondere wasser

Info

Publication number: AT406535B
Application number: AT0073188A
Authority: AT
Original assignee: Singerewitsch Boris
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 2000-06-26
Also published as: DE3907179A1; ATA73188A; GB8906241D0; DE3907179C2

Description


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   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere Wasser, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 



   Solche Vorrichtungen sind fur Wasser als elektrische Durchlauferhitzer bekannt, bei welchen das Heizelement von zumindest einer Heizspirale gebildet ist Zur Temperaturregelung des Warmwassers werden die Heizspiralen in Stufen zugeschaltet oder es wird bei unveränderter Anspeisung der Heizspiralen der Wasserdurchstrom geregelt. Beide Varianten befriedigen häufig nicht. Die Heizspiralen bedingen ausserdem eine voluminöse Bauweise des Erhitzers Schliesslich müssen die Heizspiralen für hohen Wirkunkungsgrad vom Wasser inmittelbar umspült sein, was die Strömungsverhältnisse des Wassers infolge der unvermeidlichen Turbulenzen nachteilig beeinflusst 
Die amtsseitig genannten Vorhalte DE-2934549, DE-3440896 betreffen nicht Vorrichtungen, bei welchen elektronische Bauteile gezielt als aktive Heizelemente eingesetzt werden, wie es die vorliegende Anmeldung beschreibt. 



   Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art kompakter, sicherer, einfach und genau regelbar und hinsichtlich der Strömungsverhältnisse günstiger zu machen Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das Heizelement aus zumindest einem Chip gebildet ist, dessen Steuerkreis zur Temperaturregelung und Schutzmassnahmen dient Wie bekannt, sind Chips elektronische Bauteile, welche eine integrierte Schaltung im Innersten eines Plättchen enthalten, das in einem Träger eingebettet ist.

   Im Sinne der Erfindung wird nun die durch den Chip entwickelte Wärme zur Erwärmung eines fliessenden Mediums ausgenützt, wobei das Medium seinerseits die Chips kühlt, sodass keine zusätzlichen Kühlmassnahmen erforderlich sind Vorteil der Erfindung ist die Kleinheit der Chips bzw der aus Chips aufgebauten Heizelemente im Vergleich zu den bekannten Heizelementen, sodass sich eine erfindungsgemässe Vorrichtung viel platzsparender und kompakter herstellen lässt als dies bei bekannten Vorrichtungen möglich ist. Ausserdem wird durch die Kleinheit der Chip-Heizelemente der Strömungswiderstand verringert Vorteilhaft ist es auch, dass über den Steuerkreis des Chip- Heizelements die Temperatur des zu erhitzenden Mediums in einfacherweise und stufenlos gesteuert wird, und zwar auf elektronischem Wege. 



   Im Prinzip lassen sich alle bekannten Chips gemäss der Erfindung verwenden, wenngleich grossflächige Chips günstiger sind, da dadurch der Wärmeübergang begünstigt wird. Das bei bekannten Chips angestrebte Ziel einer Verkleinerung der Abmessungen und Einhaltung enger Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten entfällt beim Erfindungsgegenstand, daher können die Herstellungskosten reduziert werden. 



   Gemäss der Erfindung sind die Chips-Heizelemente in Form von Lamellen, Plättchen oder Scheiben ausgebildet, deren hetzwirksame Ebenen beabstandet voneinander und parallel zur Mediumströmungsrichtung liegen, was Turbulenz des Mediums weitgehend verhindert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Mikrostruktur des Chips bzw. der Chips die Gesamtfläche des Heizelementes, zwecks bestmöglichen Wärmeübertragungsverhältnisse, einnimmt. Solche Chips können viel grösser ausgebildet werden als dies bei Chips aus den erwähnten Gründen sonst üblich ist, z.B können Chip-Lamellen etwa 80 bis 100 mm lang, 5 bis 10 mm breit und etwa 0. 5 mm dick sein. Chip-Plättchen können bei gleicher Länge und Dicke bis 50 mm breit sein.

   Zweckmässig ist somit die Dicke der Heizelemente im Vergleich zu deren Länge und Breite gering Wenn die Abmessungen der zur Verfügung stehenden Chips zur Übertragung der nötigen Wärmemenge nicht ausreichen, können mehrere Chips auf Trägem angeordnet sein. 



   Es können alle Schaltungsarten des Chips bzw seiner integrierten Schaltung verwendet und es können mehrere Chips in beliebigerweise zusammengeschaltet werden. Es kann daher ein Heizkörper aus bereits existierenden diskreten Halbleiterelementen etwa Leistungstransistoren kleiner Abmessungen (je etwa 6 bis 7 mm) zusammengestellt werden, jedoch sind monolitisch durch Grossintegration gefertigte Einheiten der Chip-Heizwiderstände die beste räumliche und elektrische Lösung. Man kann z.B. Voll- oder Halbwettenschaltungen verwenden, wobei sowohl ein- als auch bidirektionale Chip-Heizwiderstand-Einheiten in Frage kommen. Bevorzugt sind bidirektionale Chips. Mit den in der Mikro-Elektronik bekannten Mitteln und Verfahren lässt sich ein gewünschter Widerstandswert solcher Heizelemente erzielen. 



   Die Bausteine zumindest eines Chips können vorteilhaft auf einem Träger angebracht sein, welcher zugleich als eine Leistungselektrode dient und vorzugsweise einen Teil des Mantels bildet So kann z. B eine Seite aus einer Metallplatte bestehen, wogegen die andere Seite des Chips durch eine Isolierschicht abgeschirmt ist, die mit einer Metallplatte bedeckt ist Beide Metallplatten 

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 zusammen bilden dann einen Metallmantel, in welchem der Chip dicht eingeschlossen ist und welcher einen guten Wärmeübergang sicherstellt. 



   Erfindungsgemäss kann ferner im Steuerkreis der Chips ein temperatur- und/oder   druckerregbarer Fühler als Überhitzungs-(t-max)- bzw Überdruck- (p-max)- bzwDruckabfall-(p-   min) - bzv/ Flussab-fall-(V-min)-Schutz vorgesehen sein, welcher bei vorgegebenen Grenzwerten von t-max, p-max, p-min. V-min anspricht und die Chips elektrisch sperrt.

   Somit können die Chips selbst auch als Schutzeinrichtungen fungieren Hierbei ist es von Vorteil, wenn der genannte 
Fühler einen Übergang Isolator-Metall oder Halbleiter-Metall oder einen umgekehrten Übergang bei vorgegebenen Werten zumindest eines der Erregerparameter besitzt Der Fühler kann femer eine Permeabilität (¼) und/oder Polarisation (P) und/oder Widerstand (R) besitzen, welche einen sprunghaften Anstieg oder Abfall bzw. eine steuersignalwirksame Änderung wegen jeweiliges reversiblen (Phasen)-Übergangs bei vorgegebenen Werten zumindest eines der Erregerparameter aufweisen. Sehr effektiv können die im wesentlichen linearen Bereiche der Temperatur- und/oder 
Druckabhängigkeit der Parameter (¼), (P), (R) im Arbeitsbereich der Vorrichtung zur automatischen 
Stabilisierung einer manuell voreingestellten Temperatur dienen.

   Diese Parameter können die genannten Eigenschaften in beliebiger Kombination besitzen und beliebig kombiniert in den Temperatur- und/oder Druck- und/oder Druckdifferenzfühler genutzt sein Besonders kompakte 
Ausfuhrung ergibt sich, wenn der Temperatur- und/oder Druckfühler in Form eines Films oder einer 
Schicht in den Chip bzw. in die Chips integriert ist Mittels der Fühler kann man auch eine Schaltung im Steuerkreis vorsehen, die den ganzen Heizblock notfalls sperrt. 



   Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele und weitere Merkmale der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemässen Vorrichtung in   Schrägriss-Darstellung,   teilweise im Schnitt, Fig 2 ist eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig 1 von oben. Fig.3 zeigt eine andere Ausführung in Schrägriss-Darstellung mit einem Vertikalschnitt durch dieselbe. 



   Bei der Ausführung nach   Fig. 1,2   ist ein festes Gehäuse 3 vorgesehen, in welches das zu erhitzende strömende Medium durch einen Anschlussstutzen 4 in Richtung des Pfeils 9 eingeleitet wird. In das Gehäuse 3 ist ein Basis 2 eingesetzt, der im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet ist und eng in das hohlzylindrische Gehäuse 3 passt. Der Basis 2 hat an seinem Mantel mehrere in Axialrichtung verlaufende und in gleichen Abständen voneinander angeordnete Längstnute 10, welche Strömungskanäle für das Medium bilden und am unteren Stimende des Gehäuses 3 mit dem Anschlussstutzen 4 in Verbindung stehen.

   Jeder dieser Kanäle hat an seinem Boden eine rillenförmige Vertiefung 11, welcher eine ähnliche Vertiefung 12 an der inneren Oberfläche des Gehäuses 3 gegenüberliegt In jeweils zwei dieser Vertiefungen ist ein als Lamelle ausgebildetes Chip-Heizelement 1 eingesetzt und auf diese Weise mittig im jeweiligen Kanal 10 gehalten und wird beidseitig vom Medium umflossen. Die nicht gezeigten Anschlüsse (Eingangs-, Ausgangs-, Steuerelektrode) der einzelnen Chip-Lamellen 1 sind im Inneren des Gehäuses 3 zusammengefasst und durch nicht gezeigte Öffnungen abgedichtet aus dem Gehäuse 3 hinausgeführt. Am oberen Stimende des Gehäuses 3 befindet sich nicht gezeigte Sammelkammer, in welche die einzelnen Kanäle 10 münden und aus der das Medium durch einen Stutzen abgeführt wird. 



   Bei der Ausführung nach Fig.3 ist das Gehäuse 3 quaderartig ausgebildet, seine Vorderwand ist zur besseren Darstellung abgeschnitten. In das Gehäuse 3 wird das zu erwärmenden Medium durch den Stutzen 4 eingeleitet und oben durch einen von der Deckwand des Gehäuses 3 ausgehenden Stutzen 5 abgeleitet, im Hohlraum des Gehäuses 3 sind mehrere Plättchen 1 als bidirektionale Chip-Heizelemente parallel zu- und im Abstand voneinander und von den benachbarten Wänden des Gehäuses 3 so angeordnet, dass ihre Ebenen jeweils in der Strömungsrichtung des Mediums liegen. Die einzelnen Plättchen 1 sind mittels Halterungen 6 oben und unten so starr gehalten, dass das zugeführte Medium sich auf alle mittels der Plättchen 1 gebildeten Strömungskanäle gleichmässig verteilen kann.

   Jedes Plättchen 1 ist mit drei Anschlüssen versehen, wobei die einzelnen Plättchen parallelgeschaltet und die gemeinsamen Zuleitungen zu einer Anschlussleiste 7 geführt sind. Mit 8 und 13 ist jeweils der Anschluss für die Steuer- und Leistungselektroden der Heizelemente bezeichnet. 



   Die Chip-Heizwiderstände 1 bieten die Möglichkeit, einen äusserst günstigen Überhitzungs-, und Überdruckschutz im Chip selbst zu integrieren und nötigenfalls einen Druckdifferenzfühler zu bilden. So kann z.B ein Kaltleiterwiderstand oder eine Schicht aus Piezoferroelektrikum vorzugsweise auf beiden Seiten des Chips integriert sein. Solche Schutzsysteme erfordern keinen zusätzlichen Raum und sind äusserst zuverlässig. In solchen Fällen muss lediglich der Mantel des Chips entsprechend ausgeführt werden.

   Weitere mögliche trägheitslose Schutzsysteme sind 

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 folgende- Die Metallisierungsschichten der Steuer- und/oder der Leistungselektroden der Chip- Mikrostruktur und/oder der metallische Chip-Träger weisen einen Übergang Metall-Isolator oder Metall-Halbleiter bei vorgegebenen Werten zumindest eines der Erregerparameter auf Erreicht einer dieser Parameter seinen Grenzwert, so wird die Leitfähigkeit der Metallisierungsschichten bzw des Chip-Trägers plötzlich um einige Grössenordnungen verringert und der Chip wird gesperrt Man kann auch eine Kombination dieser Möglichkeiten ausnutzen. So können z.B. die Metallisierungsschichten der Leistungselektroden einen temperatur- und jene der Steuerelektroden einen druckerregbaren Obergang besitzen. 



   Für die genannten   Überhitzungsschutzsysteme   ist ein Null-Temperaturgradient des Mediums im Erhitzungsraum bevorzugt. Für eine gute Vermischung des Mediums ist es daher zweckmässig dieses in den Erhitzungsraum mittels zumindest einer an der Zufuhrseite angeordneten Düse einzuspritzen. 



   Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines temperatur- und/oder druckempfindli- chen Fühlers, welcher die obgenannten Eigenschaften besitzt und im Steuerkreis eines Chips eingeschaltet ist. Solche Fühler können auch im Chip selbst integriert werden. 



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann als unter Druck stehendes oder als druckloses Gerät fur Ein- oder Dreiphasen-Netz gefertigt sein Sie kann auch vorteilhaft in Verbindung mit einem Elektrodendurchlauferhitzer als Hybrid-Gerät ausgeführt werden. 



   Patentansprüche : 
1 Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere Wasser, bestehend aus zumindest einem in einem vom Medium durchströmten Gehäuse befindlichen, im 
Strömungsweg des Mediums angeordneten elektrischen Heizelement und einer 
Einrichtung zur Regelung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement aus zumindest einem Chip (1) gebildet ist, dessen an der Aussenwand des Gehäuses (3) angeordneter Steuerkreis (8) zur 
Temperaturregelung dient.

Claims

2. Verrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chips (1) selbst als voneinander beabstandet angeordnete, flache, dünne Lamellen oder Plättchen ausgebildet sind oder derartige Chip-Lamellen oder -Plättchen auf voneinander beabstandeten lamellen- oder plättchenförmigen Trägem angeordnet sind, wobei jeweils deren heizwirksame Haupterstreckungs-Ebenen vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung (9) des Mediums durch das Gehäuse (3) liegen. (Fig.3) 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur des Chips (1) bzw. der Chips die Gesamtfläche der Chip-Lamelle bzw des Chip-Plätttchens bzw. des lamellen- bzw. plättchenförmigen Trägers einnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bidirektionale Chips (1) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Chips (1) selbst eine grossflächige Lamelle oder ein grossflächiges Plättchen bilden oder auf einem derartig ausgebildeten Träger angeordnet sind.

6 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Bausteine zumindest eines Chips (1) auf einem metallischen Träger angebracht sind, welcher zugleich als eine Leistungselektrode dient und vorzugsweise einen Teil eines Mantels für den Chips bildet 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Chip (1) in einem Metallmantel eingeschlossen ist 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkreis (8) des Chips (1) einen Temperatur- und/oder Druck- und/oder Durchflussmengefuhler aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler einen druck- und/oder temperatur erregbaren Übergang Isolator-Metall oder Halbleiter-Metall oder <Desc/Clms Page number 4> einen umgekehrten Übergang bei vorgegebenen Werten zumindest eines der genannten Parameter aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler einen druck- und/oder temperatur-erregbaren, sich durch einen sprunghaften Anstieg oder Abfall bzw. bzw durch eine Steuersignal-wirksame Änderung seiner Permeabilität (¼) und/oder Polarisation (P) und/oder seines Widerstandes (R) manifestierenden (Phasen)-Übergang bei jeweils vorgegebenen Werten zumindest eines der Erregerparameter aufweist.

11 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsschichten der Steuer- und/oder der Leistungselektroden der Chip- Mikrostruktur und/oder der metallische Träger den Temperatur- und/oder Druck- und/oder Druckdifferenz-Fühler bilden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,dadurch gekennzeichnet, dass ihr Druck- bzw Druckdifferenz-Fühler in einem vorbestimmten Druckbereich < p-min, p-max > und/oder in einem vorbestimmten Durchflussgeschwindigkeitsintervall < v-min, v-max > eine im wesentlichen lineare Kennlinie der Permeabilität (E) und/oder der Polarisation (P) und/oder des Widerstandes (R) aufweist, welche bei Über- bzw Unterschreiten der jeweiligen Grenzwerte (p-min), (p-max) und/oder (v-min) sprunghaft ansteigt oder abfällt bzw. sich steuersignalwirksam ändert.

13 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur und/oder Druckfühler in Form eines Films oder einer Schicht in den Chip (1) bzw. in die Chips integriert sind bzw. ist.

14 Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (2) der Chips (1) an jenen Stellen, wo ein Druckfühler integriert ist, jeweils eine Öffnung zur unmittelbaren Druckaufnahme durch den Druckfühler aufweist, wobei die Offnung(en) durch eine elastische, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisende Abdeckung dicht verschlossen ist (sind).

15 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die in einem Chip (1) integrierten Druck- und/oder Temperaturfühler wenigstens auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, des Chips (1) angeordnet ist bzw. sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (3), weiches zumindest einen Strömungskanal für das Medium bildet, die Chip- Plättchen (1) oder -Lamellen bzw. die Chips tragenden plättchen- oder lamellenförmigen Träger in Halterungen (6) in dem Strömungskanal bzw in den Strömungskanälen gehaltert, sind, sodass diese -Heizelemente darstellenden- Chip-Plättchen (1) bzw - Lamellen bzw. deren Träger vom Medium beidseitig beaufschlagt sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle von Längsnuten (10) im Mantel eines ins Gehäuse (3) eingesetzten Basiskörpers (2) und die Halterungen (6) der Plättchen bzw. Lamellen (1) von Vertiefungen (11,12) des Bodens der Längsnuten (10) und in der inneren Oberfläche des Gehäuses (3) gebildet sind, wobei die Chip-Plättchen (1) oder -Lamellen bzw deren Träger in den Längsnuten (10) mittig gehaltert sind (Fig. 1,2).

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass an jener Seite des Gehäuses (3), von wo das zu erwärmende Medium zugeführt wird, eine Düse für die Einspritzung dieses Mediums angeordnet ist Hiezu 1 Blatt Zeichnungen