CH688328A5 - Electrical heating. - Google Patents
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Description
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Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinheit mit einem stromdurchflossenen Widerstandsheizelement und einem, den zu heizenden Gegenstand oder das zu erwärmende Medium tragenden beziehungsweise führenden, massiven Körper. The present invention relates to an electrical heating unit with a current-carrying resistance heating element and a solid body which carries or guides the object to be heated or the medium to be heated.
Konventionelle elektrische Heizeinheiten weisen Heizelemente auf, die aus stromdurchflossenen Leitern gebildet werden. Bevorzugte Materialien sind Cr-Ni-Legierungen, die einen spezifischen elektrischen Widerstand p von circa 1 10-6 Qm aufweisen. Da der spezifische Widerstand p von elektrischen Leitern sehr klein ist, muss der Leiter eine möglichst kleine Querschnittsfläche und eine grosse Länge aufweisen, damit ein genügend grosser effektiver Widerstand R erhalten wird. Deshalb werden konventionelle Widerstandsheizelemente aus dünnen Drähten gebildet, die spiralförmig gewickelt sind. Trotzdem ist der Widerstand R dieser Heizdrähte so klein, dass schon bei kleinen Spannungen die Eingangsleistung gross ist. Der Draht weist somit schnell eine hohe Temperatur auf. Typische Temperaturwerte liegen bei 1000°C. Der Wider-standsdraht ist von dem zu erwärmenden, flüssigen oder gasförmigen Medium oder Gegenstand durch einen massiven, meist elektrisch isolierten Körper getrennt. Dieser trägt den zu heizenden Gegenstand oder führt das zu erwärmende Medium. Conventional electrical heating units have heating elements which are formed from conductors through which current flows. Preferred materials are Cr-Ni alloys, which have a specific electrical resistance p of approximately 1 10-6 Qm. Since the specific resistance p of electrical conductors is very small, the conductor must have the smallest possible cross-sectional area and a large length so that a sufficiently large effective resistance R is obtained. Therefore, conventional resistance heating elements are formed from thin wires that are spirally wound. Nevertheless, the resistance R of these heating wires is so small that the input power is high even at low voltages. The wire therefore quickly has a high temperature. Typical temperature values are around 1000 ° C. The resistance wire is separated from the liquid or gaseous medium or object to be heated by a solid, usually electrically insulated body. This carries the object to be heated or guides the medium to be heated.
Ein typisches Beispiel derartiger Heizeinheiten ist die elektrische Kochplatte. Beabstandet über der Heizspirale befindet sich die Glaskeramikscheibe, auf der sich die zu erwärmende Pfanne befindet. Ein weiteres Beispiel ist der Durchlauferhitzer. Das zu erwärmende Wasser wird in Rohren geführt, die mit spiralförmig gewickelten Widerstandsdrähten beabstandet umwickelt sind. A typical example of such heating units is the electric hot plate. The glass ceramic disc on which the pan to be heated is located is spaced above the heating coil. Another example is the instantaneous water heater. The water to be heated is guided in pipes which are wound with spirally wound resistance wires at a distance.
In beiden Beispielen erfolgt die Erwärmung des Gegenstandes oder des Mediums weniger durch Wärmeleitung als durch Wärmestrahlung. Diese Beispiele verdeutlichen die Nachteile der bekannten Heizeinheiten mit Widerstandsheizelementen. Es ist stets ein Zwischenelement zwischen der Wärmequelle, dem Heizdraht und der Wärmesenke, dem Gegenstand oder Medium, notwendig. Dieses Zwischenelement weist eine grosse Masse auf und ist meist auch noch ein schlechter Wärmeleiter, da er elektrisch isoliert ist. Dieses System ist somit bezüglich der Wärmeübertragung sehr träge. Deshalb muss das Heizelement eine viel höhere Temperatur aufweisen als effektiv beim Gegenstand oder Medium erzielt werden möchte. Zudem geht ein Grossteil der Heizleistung verloren, da die Wärmestrahlung in allen Richtungen abgestrahlt wird. Der Wirkungsgrad bekannter Heizeinheiten ist demzufolge sehr klein. In both examples, the object or the medium is heated less by heat conduction than by heat radiation. These examples illustrate the disadvantages of the known heating units with resistance heating elements. There is always an intermediate element between the heat source, the heating wire and the heat sink, the object or medium. This intermediate element has a large mass and is usually also a poor heat conductor because it is electrically insulated. This system is therefore very sluggish in terms of heat transfer. Therefore, the heating element must have a much higher temperature than would be effectively achieved with the object or medium. In addition, a large part of the heating power is lost because the heat radiation is radiated in all directions. The efficiency of known heating units is therefore very low.
Eine Erhöhung des Wirkungsgrades könnte erzielt werden, indem der zu erwärmende Gegenstand oder das Medium in wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmequelle gebracht wird. Dies ist aber bei den herkömmlichen Heizdrähten nicht durchführbar. Wie bereits erwähnt, können keine niedrigen bis mittleren Temperaturen erzielt werden. Berührung mit dem heissen Heizelement kann zu An increase in efficiency could be achieved by bringing the object to be heated or the medium into heat-conducting contact with the heat source. However, this cannot be carried out with the conventional heating wires. As already mentioned, low to medium temperatures cannot be achieved. Touching the hot heating element can
Strukturveränderungen des Gegenstandes oder des Mediums führen. Ebenso können die Wärmeübertragung hemmende Randeffekte auftreten. Eine optimale Wärmeübertragung ist zudem erst dann vorhanden, wenn die Kontaktfläche zwischen den wärmetauschenden Medien möglichst gross ist. Aus den bisher verwendeten Materialien kann jedoch kein grossflächiges Heizelement gebaut werden, da ihr spezifischer Widerstand zu klein ist. Cause structural changes to the object or the medium. Edge effects that inhibit heat transfer can also occur. Optimal heat transfer is only available if the contact area between the heat-exchanging media is as large as possible. However, a large-area heating element cannot be built from the materials used hitherto, since their specific resistance is too small.
In Hinblick auf die immer bedeutendere Forderung, dass elektrische Energie möglichst effizient und sparsam verwendet werden soll, können diese bekannten Heizeinheiten nicht mehr genügen. In view of the increasingly important requirement that electrical energy should be used as efficiently and economically as possible, these known heating units can no longer suffice.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizeinheit zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad in der Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke gewährleistet. It is therefore an object of the present invention to provide an electrical heating unit which ensures high efficiency in the heat transfer from the heat source to the heat sink.
Diese Aufgabe löst eine elektrische Heizeinheit gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der tragende, beziehungsweise führende, massive Körper gleichzeitig das stromdurchflossene Widerstandsheizelement bildet. This object is achieved by an electrical heating unit according to the preamble of patent claim 1, which is characterized in that the load-bearing or leading, massive body simultaneously forms the current-carrying resistance heating element.
Die erfindungsgemässe elektrische Heizeinheit weist wie die bekannten Heizeinheiten ein strom-durchflossenes Widerstandsheizelement auf. Dieses ist jedoch als massiver, das heisst als fester und wuchtiger Körper ausgebildet. Es kann beispielsweise als Rohr oder Platte gestaltet sein. Dieser massive Körper wird in der erfindungsgemässen Heizeinheit nicht nur als Wärmequelle eingesetzt, sondern auch um den zu erwärmenden Gegenstand zu tragen oder, im Falle eines Gases oder einer Flüssigkeit, dieses zu führen. The electric heating unit according to the invention, like the known heating units, has a current-flowed resistance heating element. However, this is designed as a solid, that is, as a solid and massive body. For example, it can be designed as a tube or plate. This solid body is not only used as a heat source in the heating unit according to the invention, but also to carry the object to be heated or, in the case of a gas or a liquid, to guide it.
Das erfindungsgemässe Widerstandsheizelement ist nicht, wie bekannt, aus einem elektrisch leitenden Material mit kleinem spezifischem elektrischem Widerstand gefertigt, sondern aus einem einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand aufweisenden Material. Beispiele der verwendeten Materialien sind Halbleiter, wie Siliciumkarbid, mit Kohlenstoff, Graphit oder Metall dotierte Hochleistungs-Kunststoffe oder andere halbleiterähnliche Materialien. Diese Materialien haben einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand p als die bisher verwendeten. Typische Werte liegen zwischen 10~4 bis 1 flm. The resistance heating element according to the invention is not, as is known, made from an electrically conductive material with a small specific electrical resistance, but from a material having a considerably higher specific resistance. Examples of the materials used are semiconductors, such as silicon carbide, high-performance plastics doped with carbon, graphite or metal, or other semiconductor-like materials. These materials have a significantly higher resistivity p than those previously used. Typical values are between 10 ~ 4 to 1 flm.
Der spezifische Widerstand p der verwendeten Materialien und damit auch deren effektiver Widerstand R sind genügend gross, so dass ein kleiner Querschnitt und eine grosse Länge keine Bedingung für das Widerstandsheizelement mehr darstellt. Zudem ist die bei gleichbleibender Spannung in Wärme umgewandelte Energie wegen dem höheren Widerstand um einiges tiefer als bei den herkömmlichen leitenden Widerstandsheizelementen. Das Heizelement lässt sich schon für eine niedrige bis mittlere Temperatur regeln. Typische Temperaturen liegen bei 50°C bis 700°C. The specific resistance p of the materials used and thus also their effective resistance R are sufficiently large that a small cross section and a large length are no longer a condition for the resistance heating element. In addition, due to the higher resistance, the energy converted into heat at constant voltage is somewhat lower than with conventional conductive resistance heating elements. The heating element can be controlled for a low to medium temperature. Typical temperatures are between 50 ° C and 700 ° C.
Das als massiver Körper ausgebildete, halbleitende Widerstandsheizelement birgt mehrere Vorteile. Da das Heizelement bereits bei tiefen Temperaturen regelbar ist, kann es auf eine Temperatur erwärmt werden, die nur leicht höher als die ge5 The semi-conductive resistance heating element, which is designed as a solid body, has several advantages. Since the heating element can already be regulated at low temperatures, it can be heated to a temperature that is only slightly higher than ge5
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wünschte Endtemperatur des Gegenstandes oder Mediums liegt. Dadurch kann es in Kontakt mit dem zu erwärmenden Gegenstand oder Medium gebracht werden, so dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und nicht durch Wärmestrahlung erfolgen kann. Da das Heizelement als massiver Körper ausgebildet ist, ist die Kontaktfläche zum Gegenstand oder Medium gross. Die Wärmeübertragung kann über diese grosse Fläche erfolgen. Zudem ist kein zusätzliches massives Zwischenelement erforderlich, das die Wärmeübertragung hemmt. Daher reicht, in umgekehrter Betrachtungsweise, die niedrige bis mittlere Temperatur der Wärmequelle zu Erzielung der gewünschten Temperatur am Gegenstand oder Medium aus. Desired end temperature of the object or medium. As a result, it can be brought into contact with the object or medium to be heated, so that the heat transfer can take place by heat conduction and not by heat radiation. Since the heating element is designed as a solid body, the contact area with the object or medium is large. The heat transfer can take place over this large area. In addition, no additional solid intermediate element is required to inhibit heat transfer. Therefore, from a reverse perspective, the low to medium temperature of the heat source is sufficient to achieve the desired temperature on the object or medium.
Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Heizeinheit ist demnach beträchtlich höher als bei konventionellen Heizeinheiten mit Widerstandsheizdrähten. Die erfindungsgemässe Heizeinheit ist energiesparend. The efficiency of the heating unit according to the invention is accordingly considerably higher than that of conventional heating units with resistance heating wires. The heating unit according to the invention is energy-saving.
Zur zusätzlichen Erhöhung des Wirkungsgrades können die nicht zur Wärmeübertragung verwendeten Flächen des Heizelementes thermisch isoliert werden. Die Wärme wird so gezielt an die benötigte Stelle gebracht. Die Verluste durch Wärmestrahlung sind gering gehalten. To further increase the efficiency, the surfaces of the heating element that are not used for heat transfer can be thermally insulated. The heat is brought specifically to the required location. The losses from heat radiation are kept low.
Je nach Anwendungsbereich wird der massive Körper des Widerstandsheizelementes gegenüber dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht kann beispielsweise ein Keramiküberzug mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient wie der massive Körper sein. Vorzugsweise wird ein elektrisch isolierendes Material mit möglichst guten wärmeleitenden Eigenschaften gewählt. Depending on the area of application, the solid body of the resistance heating element is electrically insulated from the medium or object to be heated. The insulation layer can be, for example, a ceramic coating with a coefficient of thermal expansion similar to that of the solid body. An electrically insulating material with the best possible heat-conducting properties is preferably selected.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen: Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawings and explained in the description below. Show it:
Fig. 1 eine Heizeinheit in Form eines Rohres; Figure 1 is a heating unit in the form of a tube.
Fig. 2 eine Heizeinheit mit einem plattenförmigen Widerstandsheizelement; 2 shows a heating unit with a plate-shaped resistance heating element;
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Kochplatte. Fig. 3 shows a hotplate according to the invention.
In Fig. 1 ist ein rohrförmiges Widerstandsheizelement dargestellt. Es besteht aus einem Rohrstück 1, das an jedem seiner Enden gut leitende metallische Kontakte 2 mit grossen Kontaktflächen zur Erstellung eines Stromkreises aufweist. Wird eine Spannungsquelle an diese Kontakte angeschlossen, so fliesst ein Strom durch das Rohr. Dieses wird entsprechend seinem Widerstand R erhitzt. In Fig. 1, a tubular resistance heating element is shown. It consists of a tube piece 1, which has well-conductive metallic contacts 2 with large contact surfaces at each end for creating a circuit. If a voltage source is connected to these contacts, a current flows through the tube. This is heated according to its resistance R.
Ein derartiges Widerstandsheizelement wird beispielsweise in einem Durchlauferhitzer verwendet. Das Rohrstück 1 des Widerstandsheizelementes ist dann gleichzeitig die Rohrleitung für das zu erwärmende Wasser. Das Wasser fliesst im Innern 3 des Rohres 1. Durch den direkten Kontakt mit der heis-sen Rohrwandung wird das Wasser erwärmt. Da die Rohrwandung nur eine unwesentlich höhere Temperatur als die gewünschte Wassertemperatur aufweist, treten keine Strukturumwandlungen des Wassers auf und der Wirkungsgrad ist wesentlich höher als bei konventionellen Durchlauferhitzern. Um unerwünschten Wärmeverlust an die Umgebung zu verhindern, kann das Rohr mit einem thermisch isolierten Mantel umgeben sein. Wird eine Niederspannung, das heisst eine Spannung kleiner als 50 V, an das Rohr angelegt, so ist keine spezielle elektrische Isolation notwendig. Wird jedoch eine Spannung von 220 V verwendet, so muss die Heizeinheit gegenüber der Umgebung mit einem elektrisch isolierenden Mantel umgeben werden. Das zu erwärmende Medium, die Flüssigkeit oder das Gas, bleibt trotzdem in direktem Kontakt mit dem als Wärmequelle dienenden Rohr. Such a resistance heating element is used, for example, in a water heater. The pipe section 1 of the resistance heating element is then at the same time the pipe for the water to be heated. The water flows in the interior 3 of the tube 1. The water is heated by direct contact with the hot tube wall. Since the pipe wall is only slightly higher than the desired water temperature, there are no structural changes in the water and the efficiency is much higher than with conventional instantaneous water heaters. To prevent unwanted heat loss to the environment, the pipe can be surrounded with a thermally insulated jacket. If a low voltage, i.e. a voltage less than 50 V, is applied to the pipe, no special electrical insulation is necessary. However, if a voltage of 220 V is used, the heating unit must be surrounded with an electrically insulating jacket from the surroundings. The medium to be heated, the liquid or the gas, nevertheless remains in direct contact with the tube serving as a heat source.
In Fig. 2 ist ein Widerstandsheizelement in Form einer Platte dargestellt. An beiden Enden der Platte sind wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform elektrische Kontakte 2 angebracht. Sie können an den Stirnflächen der Platte befestigt sein oder, wie dargestellt, den Umfang der Platte umfassen. Auch in diesem Beispiel ist die Platte gleichzeitig die Wärmequelle und der massive, den zu erwärmenden Gegenstand tragende Körper. Je nach angelegter Spannung wird die Platte mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt, die aber möglichst gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Ebenso kann die untere Seite der Platte, falls sie nicht zur Wärmeübertragung verwendet wird, thermisch isoliert sein. Anwendungsbeispiele sind Wärmeplatten im Haushaltsgebrauch oder Heizelemente, die in einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter eingetaucht werden. 2 shows a resistance heating element in the form of a plate. As in the embodiment already described, electrical contacts 2 are attached to both ends of the plate. They can be attached to the end faces of the plate or, as shown, enclose the circumference of the plate. In this example too, the plate is both the heat source and the solid body carrying the object to be heated. Depending on the voltage applied, the plate is covered with an electrically insulating layer which, however, has the best possible heat-conducting properties. Likewise, the lower side of the plate, if not used for heat transfer, can be thermally insulated. Examples of applications are hot plates in household use or heating elements that are immersed in a container filled with liquid.
Ein Anwendungsbeispiel einer derartigen Platte ist in Fig. 3 dargestellt. Das Widerstandselement wird als Kochplatte verwendet. Die untere Seite 5 der Platte 4 ist elektrisch und thermisch isoliert. Die obere Seite 6 weist eine elektrische Isolationsschicht auf. Auf diese wird der zu erwärmende Kochtopf gestellt. Auch diese Kochplatte weist die oben beschriebenen Vorteile auf und ermöglicht so eine energiesparende Zubereitung von Mahlzeiten. An application example of such a plate is shown in Fig. 3. The resistance element is used as a hotplate. The lower side 5 of the plate 4 is electrically and thermally insulated. The upper side 6 has an electrical insulation layer. The saucepan to be heated is placed on this. This hotplate also has the advantages described above and thus enables energy-saving preparation of meals.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das tragende Heizelement mit einem weiteren massiven Körper in Kontakt. Dieser Körper weist elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Eigenschaften auf. Im Falle einer Kochplatte oder einer Wärmeplatte wird diese massive Isolation anstelle der oben beschriebenen Isolationsschicht verwendet. Als Isolationsmaterial wird beispielweise Aluminiumnitrid (AIN) verwendet. Dieser Isolationskörper trennt das tragende Heizelement von dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand. In a further embodiment, not shown, the supporting heating element is in contact with another solid body. This body has electrically insulating, but good heat-conducting properties. In the case of a hotplate or hotplate, this massive insulation is used instead of the insulation layer described above. Aluminum nitride (AIN), for example, is used as the insulation material. This insulating body separates the supporting heating element from the medium or object to be heated.
In einer weiteren Ausführungsform verbindet ein derartiger Isolationskörper mehrere massive Heizelemente miteinander, die somit eine gemeinsame Heizeinheit bilden. In a further embodiment, such an insulation body connects several solid heating elements to one another, which thus form a common heating unit.
Damit die erfindungsgemässe Heizeinheit sinnvoll eingesetzt werden kann, muss für jedes Anwendungsbeispiel jeweils die Optimierung aller wesentlichen Parameter berechnet werden. Das heisst, die Länge und Querschnittsfläche des Widerstandsheizelementes müssen so gewählt werden, dass der resultierende Widerstand R die zur Erzielung der gewünschten Temperatur notwendige Grösse aufweist. Gleichzeitig muss aber die Forderung erfüllt werden, dass die Stabilität des Körpers zum Führen des Mediums oder Tragen des Gegenstandes aus- In order that the heating unit according to the invention can be used sensibly, the optimization of all essential parameters must be calculated for each application example. This means that the length and cross-sectional area of the resistance heating element must be selected so that the resulting resistance R has the size necessary to achieve the desired temperature. At the same time, however, the requirement must be met that the stability of the body for guiding the medium or carrying the object
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reicht. Ein dabei teilweise frei wählbarer Parameter ist das Material. Der spezifische Widerstand lässt sich durch Veränderung der Dotierung des Siliziumkarbits oder des Kunststoffes variieren. enough. The material is a freely selectable parameter. The specific resistance can be varied by changing the doping of the silicon carbide or the plastic.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PUE | Assignment |
Owner name: DUSKO MARAVIC TRANSFER- SGL CARBON AG |
|
| PL | Patent ceased |