Elektrischer Widerstandsheizkörper Die Gestaltung der Hülle eines elektrischen Wi derstandsheizkörpers jener Bauart, bei der der Heiz- leiter in eine kompakte Masse eines gut wärmeleit fähigen aber elektrisch isolierenden Materials einge bettet und das ganze Gebilde in einem Metallmantel eingehüllt ist, ist innerhalb enger Grenzen seitens der Leistung, des Kostenfaktors und physikalischer Eigenschaften bestimmt, was ernsthafte Probleme bezüglich der Bauweise und der Materialwahl zur Folge hat. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich dabei sowohl für relativ hohe wie auch für relativ niedrige Widerstandswerte.
Beim Bestreben, innerhalb gegebener und durch andere Kriterien bestimmter äusserer Abmessungen einen möglichst hohen Widerstandswert unterbrin gen zu können, wird bald jener Punkt erreicht, an welchem der Drahtdurchmesser zu klein und die Festigkeit zu gering für die üblichen Bearbeitungs- und Herstellungsmethoden wird, so dass in zuneh mendem Masse Materialien mit hohem spezifischem Widerstand gewählt werden müssen.
Es ist bekannt, den Widerstand von schrauben förmig gewundenen Heizkörpern dadurch zu ver mindern, dass deren Querschnitt vergrössert und die Länge verringert wird. Jedoch ist hierbei der maxi male noch verwendbare Drahtdurchmesser bei einem solchen spiralig gewundenen und für eine gegebene Gestalt der Hülle geeigneten Heizleiter durch ver schiedene Gesichtspunkte konstruktiver und fabri- katorischer Art bedingt. Beispielsweise wird mit zu nehmendem Durchmesser die Steifigkeit immer grö sser und die Herstellung der schraubenlinienförmigen Gestalt immer schwieriger.
Diejenige Bauart gepan zerter Heizkörper, bei welchen ein langgestreckter massiver Widerstandsdraht als Heizleiter konzen trisch innerhalb des Mantels vorgesehen ist, sind für Heizkörper mit kleinem Widerstand gut geeignet, da sowohl eine geringe Drahtlänge als auch ein relativ grosser Drahtdurchmesser verwendbar sind.
Bei den meisten Heizkörpern dieser Bauart ist der Durchmesser des Drahtes aber stets verhältnis mässig klein gegenüber dem zur Erzielung der er wünschten Wärmeabgabe pro cm2 erforderlichen Durchmesser des Panzers, und der radiale Zwischen raum zwischen dem Heizleiter und der Panzerinnen- wandung ist eigentlich, angesichts des unerwünsch ten Temperaturabfalles in dem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Material, viel zu gross.
Dem entsprechend ist die Betriebstemperatur des Heiz- leiters wesentlich höher als die jeweils erwünschte Aussentemperatur der Umhüllung, was für die Le bensdauer des Heizleiters nachteilig ist.
Demgegenüber bezweckt die vorliegende Erfin dung die Schaffung eines Heizkörpers, der die oben genannten Nachteile bei kleinen Widerstandswerten nicht aufweist. Der erfindungsgemässe Heizkörper ist gekennzeichnet durch eine röhrenartige Aussen hülle, durch einen Heizleiter innerhalb dieser Hülle, welcher Heizleiter aus einem Rohr aus einem elek trischen Widerstandsmaterial besteht, durch ein wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Mate rial, das den Raum zwischen dem Heizleiter und der Aussenhülle einnimmt, und durch ein elektrisches Isoliermaterial, das den Innenkanal des Hohlleiters ausfüllt.
Für sehr niedrige Widerstandswerte kann der Heizleiter vorzugsweise aus einem langgestreckten Rohr aus elektrischem Widerstandsmaterial, konzen trisch innerhalb der Panzerung angeordnet, bestehen. Da der Durchmesser der Panzerung für die einzelnen Anwendungen derartiger Heizkörper meist innerhalb enger Grenzen durch andere Konstruktionsbedin gungen festgelegt ist, kann vorteilhafterweise durch einen derartigen Heizleiter ein geringerer Tempera- turabfall zwischen der Hülle und dem Heizleiter er zielt werden als bei einem langgestreckten massiven Heizleiter,
weil hier die wärmeabgebende Oberfläche des Heizleiters in geringerem Radialabstand von der Hülleninnenseite angeordnet werden kann. Dement sprechend kann der rohrförmige Heizleiter auf tiefe rer Temperatur betrieben werden, was eine Erhö hung der Lebensdauer zur Folge hat.
Für höhere Widerstandswerte kann der Heiz- leiter eine serpentinenartige oder schraubenlinien- artige Gestalt erhalten, um eine grössere Länge des Heizleiters pro axialer Längeneinheit innerhalb des Panzers unterzubringen. Bei einem Heizleiter dieser Gestalt ist es noch leichter, die wäimeabgebende Aussenseite des Heizleiters der Innenwandung der Hülle zu nähern als bei einem langgestreckten Heiz- leiter.
Ein röhrenförmiger Heizleiter gewährleistet bei vorgegebenem Materialquerschnitt immer eine grö ssere mechanische Festigkeit als massive Leiter, so dass mittels der üblichen Fabrikationsmethoden nun mehr Heizkörper wesentlich höheren Widerstandes als bisher bei gleichen Abmessungen herstellbar sind.
Nachstehend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Von diesen zeigt: Fig. 1 eine Ansicht eines gepanzerten Heizkör pers als erstes Ausführungsbeispiel, teilweise einen Schnitt davon, Fig. 2 eine Teilansicht eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels, ebenfalls teilweise einen Schnitt, und Fig. 3 eine vergrösserte Wiedergabe des in Fig. 2 verwendeten Heizleiters.
Der in Fig. 1 dargestellte Heizkörper weist als Panzerung eine äussere Metallhülle 1, einen rohr- förmigen, konzentrisch innerhalb der Metallhülle 1 sich erstreckenden Heizleiter 2, und zwei An schlüsse 3 und 4 auf, die mit den beiden Enden des Heizleiters 2 verbunden sind. Der rohrförmige Heizleiter 2 ist in einer dichten und kompakten Masse eines elektrisch isolierenden und gut wärme leitenden Materials 6 eingebettet, etwa in Magne- siumoxyd, Aluminiumoxyd oder andere Materialien entsprechender elektrischer und mechanischer Eigen schaften.
Das Isoliermaterial 6 wird meist in pulve risierter oder körniger Gestalt in die Hülle 1 einge füllt, und dann auf geeignete Weise, vorzugsweise durch Ziehen unter Durchmesserverkleinerung der Metallhülse 1 in einer Zieh- oder Walzeinrichtung zu einer festen und kompakten Masse verdichtet. Es können auch geeignete Isoliermaterialien, etwa Aluminium- oder Magnesiumzement verwendet wer den, bei denen keine Verdichtung erforderlich ist.
Der rohrförmige Heizleiter 2 besitzt kreisförmi gen oder andern geeigneten Querschnitt, weist also einen Innenkanal 5 auf, der vorzugsweise mit einem festen Isoliermaterial 7 gefüllt ist, zwecks Schutz der Innenfläche des Heizleiters 2 vor nachteiligen Einflüssen seitens des Luftsauerstoffes oder anderer eventuell vorhandener Gase sowie zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit des Heizleiters. Als Kernfüllung 7 ist Magnesiumoxyd geeignet, obwohl hierfür kein Material mit guter Wärmeleitung erfor derlich ist.
Der endgültige Durchmesser der Metallhülle 1 ist gewöhnlich innerhalb relativ enger Grenzen durch verschiedene Konstruktionsbedingungen entspre chend der jeweiligen Anwendung des Heizkörpers festgelegt, etwa auf Grund der erwünschten Ober flächentemperatur der Metallhülle 1, der Wärme abgabe pro Flächeneinheit derselben und der gege benen Längsausdehnung.
Für Heizleiter mit relativ niedrigem Widerstand ist die wärmeabgebende Oberfläche des rohrförmi- gen Widerstandsheizleiters näher an der Metallhülle als bei einem entsprechenden massiven Heizleiter der bisher verwendeten Art für den betreffenden Wider standsbereich. Die in Fig. 1 angegebene Bauart eines gepanzerten Heizkörpers arbeitet mit geringe rem Temperaturabfall zwischen dem Heizleiter 2 und der Metallhülle 1 als bei einem entsprechenden massiven Heizleiter, da der mit wärmeleitfähigem Material 6 ausgefüllte Zwischenraum in radialer Richtung geringere Dicke besitzt.
Aus fabrikatorischen Gründen wird meist ein kreisrunder Querschnitt für den Heizleiter 2 vorge zogen, jedoch können auch andere Querschnittsfor- men für den Innenkanal gewählt werden, etwa ellip tische, rechteckige, dreieckige usw., und ergeben die gleichen Vorteile.
Die Bauart nach Fig. 1 bietet auch bei gewissen Ausführungen für höhere Widerstandswerte Vorteile, wenn die übrigen Konstruktionsbedingungen die Ver wendung rohrförmiger Heizleiter anstelle eines schraubenlinienförmig gewundenen Heizdrahtes zu lassen.
Da das elektrisch isolierende und gut wärme leitende Material innerhalb der Metallhülse norma lerweise durch Walzen, Gesenkpressen, oder eine ähnliche Bearbeitung derselben verdichtet wird, und hierbei eine Verlängerung und Durchmesserverrin gerung der Hülle erfolgt, ist die dabei auftretende Einwirkung auf einen schraubenlinienartig gewun denen Heizleiter nur sehr schwer rechnerisch zu er fassen und ausserdem, infolge der Verwickeltheit der Vorgänge bei der Dehnung der Heizleiterwendel und der Deformation des Heizdrahtes selbst, von Fall zu Fall verschieden.
Bei einer Bauart nach Fig. 1 ist, wie sich herausgestellt hat, die Wider standsänderung in Abhängigkeit von der Durch messerverringerung und der Verlängerung der Me tallhülle wesentlich gleichmässiger und deshalb eher zu überprüfen und vorauszusehen.
In den Fig. 2 und 3 ist ein anderes Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Heizkörperbauart wiedergegeben, das besonders für mittlere und höhere Widerstandswerte vorteilhaft ist, bei denen wegen anderweitiger Bedingungen ein wendelförmi- ger Heizleiter erforderlich ist. In Fig. 2 ist ein schraubenlinienförmig gewundener Heizleiter 8, ein gebettet in eine Masse aus gut wärmeleitendem und elektrisch isolierendem Material 9 dargestellt, wobei das Ganze von einem äussern Metallpanzer 10 um geben ist.
Der Heizleiter 8, der in Fig. 3 in ver grössertem Massstab wiedergegeben ist, besteht aus einem hohlen Widerstandsdraht, dessen Innenkanal 11 mit einem elektrisch isolierenden Material 12 ge füllt ist, das vorzugsweise auf geeignete Weise, etwa durch Walzen oder Gesenkpressen zu einer zusam menhängenden Masse verdichtet ist, und zwar vor der Verformung zu einer Wendel. Es ist in den meisten Fällen von Vorteil, wenn die Füllung zu einer festen Masse verdichtet wird, da ein kompak ter Kern die mechanische Festigkeit und Steifigkeit erhöht, ohne die Verformbarkeit des Hohlleiters merklich zu beeinflussen.
Nach erfolgter Verformung der Heizwendel 8 wird dieselbe in die Metallhülle 10 eingesetzt und dann das elektrisch isolierende und gut wärmelei tende Material 9, etwa pulverisiertes oder körniges Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd, eingefüllt und die Heizwendel 8 damit allseits umgeben. Das Iso liermaterial 9 wird dann, vorzugsweise durch Walzen oder Gesenkpressen unter Verlängerung und Durch messerverringerung der Hülle 10, zu einer festen Masse verdichtet.
Die vorliegende Bauart von Heizkörpern ermög licht eine grössere Freiheit in der Wahl des Wider standsmaterials für den Heizleiter, da für jeden Heizkörperdurchmesser und Widerstandswert hier ein Material mit geringerem spezifischem Widerstand verwendet werden kann, ohne dass der Aussendurch messer des Heizleiters verringert und die mechani sche Festigkeit vermindert werden muss.
Electrical resistance heater The design of the shell of an electrical resistance heater of the type in which the heating conductor is embedded in a compact mass of a highly thermally conductive but electrically insulating material and the entire structure is encased in a metal jacket is within narrow limits on the performance side , the cost factor and physical properties, which results in serious problems in terms of construction and choice of materials. Particular difficulties arise here for both relatively high and relatively low resistance values.
In the endeavor to be able to accommodate the highest possible resistance value within given external dimensions determined by other criteria, the point will soon be reached at which the wire diameter is too small and the strength too low for the usual processing and manufacturing methods, so that in Increasing mass materials with high specific resistance must be selected.
It is known to reduce the resistance of helically wound radiators in that their cross-section is increased and the length is reduced. In this case, however, the maximum wire diameter that can still be used in the case of such a spirally wound heating conductor suitable for a given shape of the sheath is determined by various aspects of construction and manufacturing. For example, the greater the diameter, the greater the rigidity and the more difficult it is to produce the helical shape.
That type of gepan-certified radiator, in which an elongated solid resistance wire is provided as a heating conductor concentrically within the jacket, are well suited for radiators with low resistance, since both a short wire length and a relatively large wire diameter can be used.
In most radiators of this type, the diameter of the wire is always relatively small compared to the diameter of the armor required to achieve the desired heat dissipation per cm2, and the radial gap between the heating conductor and the inner wall of the armor is actually undesirable in view of this th temperature drop in the thermally conductive, electrically insulating material, much too large.
Accordingly, the operating temperature of the heating conductor is significantly higher than the respective desired outside temperature of the casing, which is disadvantageous for the life of the heating conductor.
In contrast, the present invention aims to create a radiator that does not have the above-mentioned disadvantages at low resistance values. The heater according to the invention is characterized by a tubular outer shell, by a heating conductor within this shell, which heating conductor consists of a tube made of an electrical resistance material, by a thermally conductive and electrically insulating mate rial that occupies the space between the heating conductor and the outer shell, and by an electrical insulating material that fills the inner channel of the waveguide.
For very low resistance values, the heating conductor can preferably consist of an elongated tube made of electrical resistance material, arranged concentrically within the armor. Since the diameter of the armor for the individual applications of such radiators is usually determined within narrow limits by other construction conditions, a lower temperature drop between the shell and the heating conductor can advantageously be achieved with such a heating conductor than with an elongated solid heating conductor,
because here the heat-emitting surface of the heating conductor can be arranged at a smaller radial distance from the inside of the envelope. Accordingly, the tubular heating conductor can be operated at a lower temperature, which increases the service life.
For higher resistance values, the heating conductor can have a serpentine or helical shape in order to accommodate a greater length of the heating conductor per axial unit of length within the armor. With a heating conductor of this shape, it is even easier to approach the heat-emitting outside of the heating conductor to the inner wall of the shell than with an elongated heating conductor.
With a given material cross-section, a tubular heating conductor always guarantees greater mechanical strength than solid conductors, so that more heating elements with a significantly higher resistance than before with the same dimensions can be produced using the usual manufacturing methods.
Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 3. Of these: FIG. 1 shows a view of an armored Heizkör pers as a first embodiment, partly a section thereof, FIG. 2 shows a partial view of a second Ausfüh approximately example, also partly a section, and FIG. 3 shows an enlarged reproduction of the one used in FIG Heating conductor.
The heater shown in Fig. 1 has an outer metal shell 1, a tubular, concentric heating conductor 2 extending concentrically within the metal shell 1, and two connections 3 and 4, which are connected to the two ends of the heating conductor 2 as armor. The tubular heating conductor 2 is embedded in a dense and compact mass of an electrically insulating and highly thermally conductive material 6, for example in magnesium oxide, aluminum oxide or other materials with corresponding electrical and mechanical properties.
The insulating material 6 is usually in pulverized or granular form in the shell 1 is filled, and then compressed in a suitable manner, preferably by drawing while reducing the diameter of the metal sleeve 1 in a drawing or rolling device to a solid and compact mass. Suitable insulating materials, such as aluminum or magnesium cement, can also be used which do not require compaction.
The tubular heating conductor 2 has circular or other suitable cross-section, so has an inner channel 5, which is preferably filled with a solid insulating material 7, in order to protect the inner surface of the heating conductor 2 from adverse influences on the part of atmospheric oxygen or other gases that may be present, as well as to increase the strength and rigidity of the heatsealing band. Magnesium oxide is suitable as core filling 7, although no material with good heat conduction is required for this.
The final diameter of the metal shell 1 is usually set within relatively narrow limits by various construction conditions accordingly to the respective application of the radiator, for example due to the desired surface temperature of the metal shell 1, the heat output per unit area of the same and the given longitudinal extent.
For heating conductors with a relatively low resistance, the heat-emitting surface of the tubular resistance heating conductor is closer to the metal shell than in the case of a corresponding solid heating conductor of the type previously used for the respective resistance area. The type of armored radiator indicated in Fig. 1 works with a lower temperature drop between the heating conductor 2 and the metal shell 1 than with a corresponding solid heating conductor, since the space filled with thermally conductive material 6 has a smaller thickness in the radial direction.
For manufacturing reasons, a circular cross-section is usually preferred for the heating conductor 2, but other cross-sectional shapes can also be selected for the inner channel, such as elliptical, rectangular, triangular, etc., and result in the same advantages.
The design according to FIG. 1 also offers advantages in certain designs for higher resistance values if the other design conditions allow the use of tubular heating conductors instead of a helically wound heating wire.
Since the electrically insulating and highly thermally conductive material within the metal sleeve is normally compacted by rolling, die pressing, or similar processing of the same, and the sleeve is lengthened and reduced in diameter, the effect that occurs is only on a helical-like heat conductor very difficult to compute it and also, due to the complexity of the processes involved in the expansion of the heating conductor coil and the deformation of the heating wire itself, different from case to case.
In a design according to FIG. 1, as has been found, the resistance change depending on the diameter reduction and the extension of the Me tallhülle is much more even and therefore more likely to check and foreseen.
In FIGS. 2 and 3, another exemplary embodiment of the present radiator design is shown, which is particularly advantageous for medium and higher resistance values in which a helical heating conductor is required due to other conditions. In Fig. 2, a helically wound heating conductor 8 is shown, embedded in a mass of highly thermally conductive and electrically insulating material 9, the whole being given by an outer metal armor 10 to.
The heating conductor 8, which is shown in Fig. 3 on a larger scale, consists of a hollow resistance wire, the inner channel 11 is filled with an electrically insulating material 12 GE, which is preferably in a suitable manner, such as by rolling or die pressing to a cohesive Mass is compressed, before deformation into a helix. In most cases it is advantageous if the filling is compressed into a solid mass, since a compact core increases the mechanical strength and rigidity without noticeably affecting the deformability of the waveguide.
After the heating coil 8 has been deformed, the same is inserted into the metal shell 10 and then the electrically insulating and good heat-conducting material 9, such as powdered or granular magnesium oxide or aluminum oxide, is filled in and the heating coil 8 is thus surrounded on all sides. The Iso liermaterial 9 is then, preferably by rolling or die pressing with extension and diameter reduction of the shell 10, compressed to a solid mass.
The present design of radiators allows light greater freedom in the choice of resistance material for the heating conductor, since a material with a lower specific resistance can be used for each radiator diameter and resistance value without reducing the outer diameter of the heating conductor and the mechanical strength must be reduced.