CN110887222A - 用于加热流体介质的加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加热流体介质的加热系统(100)。所述加热系统(100)包括载体单元(120)和加热单元(130)，该载体单元(120)的表面包括至少一个至少基本上垂直于纵向轴线(A)的平面部分(121)和从所述载体单元(120)延伸并围绕纵向轴线(A)旋绕的至少部分地为圆形的凹槽(140)，并且加热单元(130)具有至少部分地布置在所述载体单元(120)的所述凹槽(140)中的加热元件(132)。在本发明的加热系统中，凹槽(140)至少部分地围绕纵向轴线(A)螺旋延伸。本发明还涉及一种用于输送和加热流体介质的加热输送泵(1)，所述泵包括驱动单元(10)、泵壳(50)、以及本发明的加热系统(100)。所述加热系统(100)联接至泵壳(50)，所述凹槽(140)延伸到泵壳(50)中，从而凹槽(50)的横截面尺寸沿输送的流体介质的流动方向减小。

Description

用于加热流体介质的加热系统
技术领域
本发明涉及一种用于加热流体介质的加热系统，其中该加热系统包括盘状载体单元和加热单元。该载体单元具有中心轴线、至少部分地围绕该中心轴线延伸的凹槽，以及底面。该加热单元具有至少部分地布置在所述载体单元的所述凹槽中的加热元件。本发明还涉及一种用于输送和加热流体介质的加热输送泵，所述泵包括驱动单元、泵壳、以及用于加热流体介质的加热系统。
背景技术
在许多类型的家用电器或家用机器中，需要加热流体介质，例如水。已知有各种加热系统可用于加热所述流体。
PCT专利申请WO92/05675公开了一种加热装置，该加热装置具有延伸到待加热的流体中的管状加热元件。
在欧洲专利1 233 649中公开了一种加热系统，该加热系统具有布置在导热板一侧的圆形加热元件，并且其中待加热介质与导热板的相应的另一侧接触。
在德国专利申请199 16 136中公开的一种输送泵具有布置在泵壳的入口部分处的加热元件。该加热元件具有矩形横截面，并布置在泵壳的外侧，从而与泵壳接触，以便与其四个侧表面中的两个进行热传递。
欧洲专利1 507 914公开了一种输送泵，该输送泵具有矩形横截面的加热元件，该加热元件大致完全布置在延伸到泵壳中的相应凹槽中。该加热元件具有从凹槽延伸以连接至电源的两个曲折端。
在已知的加热系统中，加热元件与导热载体元件的接触表面以及因此产生的传热面积相对于加热元件的整个表面较小，或者加热元件所具有的形状对于热点很关键，尤其是在曲折端区域中。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种加热系统和一种加热输送泵，利用该加热系统和加热输送泵能克服上述缺点，并且能优化流体介质的加热和输送。
根据本发明，提供了一种用于加热流体介质的加热系统。所述加热系统包括载体单元和加热单元，其中该载体单元具有中心轴线、至少部分地围绕该中心轴线延伸的凹槽、以及底面，并且该加热单元具有至少部分地布置在所述载体单元的所述凹槽中的加热元件。在本发明的加热系统中，凹槽的底面或凹槽底面的至少一个区段分别以>0°的倾角倾斜。
所述斜面可指载体单元的至少基本垂直于该载体单元的中心轴线延伸并包含凹槽底面的虚拟或真实平面。换句话说，凹槽底面的至少一个区段或一部分分别相对于所述至少基本垂直于载体单元的中心轴线延伸并包含凹槽底面的虚拟或真实平面具有斜度或倾角。
这种设计允许分别对在其中使用本发明的加热系统的泵或输送泵中的流动条件进行优化。因此，可达到优化的液压效率。因此，倾角的范围可从大于0°的值到90°最大值。在后一种情况下，凹槽底面的至少一个区段形成台阶。此外，凹槽底面的具有大于0°的倾角的至少一个区段可从底面凹槽的至少基本垂直于中心轴线的平面区段开始，从而形成扭结或急弯。这种台阶或扭结在待加热介质流中产生湍流，这也提高了效率。
如上所述，载体单元不一定必须具有与载体单元的中心轴线正交或垂直的实体平面或平面部分。该平面或平面部分也可以是虚拟的，例如在载体单元设计为环并且该平面由环的内圈限定的情况下。所述中心轴线优选是载体单元的中心纵向轴线。
所述凹槽可围绕载体单元的中心轴线以不同的方式延伸。在本发明的加热系统的一个优选实施例中，所述凹槽具有至少部分地为圆形的形状。此外，其横截面可具有圆形、四边形、梯形、钟形、V形设计或任何其它可能的设计。
在本发明的加热系统的一个优选实施例中，凹槽底面的斜面的梯度分别至少部分地连续或稳定，和/或至少部分地不连续或不稳定。在后一种情况下，凹槽底面或斜面可分别形成扭结或或急弯。凹槽底面的斜面的梯度可在形成凹槽底面的平面表面内，或者是具有弧形横截面的凹槽底面的最深线。
在本发明的加热系统的另一个优选实施例中，凹槽底面可具有至少两个倾角不相等的区段和/或至少两个倾角相等的区段。在此，这些区段可以是顺次接续的，也可是彼此分开的。因此，凹槽底面可具有围绕中心轴线沿着盘状载体单元的圆周方向彼此分开的两个或更多区段，其中所述两个或更多区段可具有相等的倾角或不相等的倾角。凹槽底面也可具有围绕中心轴线沿着盘状载体单元的圆周方向顺次接续的两个或更多区段，其中所述两个或更多区段可具有相等的倾角或不相等的倾角。这些设计的组合也是可能的。
优选凹槽底面可围绕中心轴线至少部分地螺旋延伸。凹槽底面的螺旋延伸部分例如可延伸到加热泵的泵壳中，从而允许优化泵中的流动条件，因此可达到优化的液压效率。
在本发明的加热系统的一个优选实施例中，加热单元的加热元件至少部分地具有螺旋形状。因此，螺旋形加热元件可与凹槽的形状相配，并且提供从加热元件到载体单元并由此到待加热介质的优化热传递。
在本发明的加热元件的另一个优选实施例中，加热元件可以是至少部分地为圆形的管状加热元件。优选该加热元件可具有至少一个曲折端或偏移端。可沿着加热元件的中心纵向轴线形成不同半径的偏移程度。由于载体单元中的凹槽的特定设计，加热元件可仅需设有一个曲折端，而相应的另一端可保持平直，或者仅略微弯曲。可在管状加热元件的生产期间将非曲折端选择为管状加热元件的填充端。此外，加热元件的曲折端对于可能的热点来说是一个关键部分。通过省略一个曲折端，可提高这种加热元件的质量和耐用性。
此外，加热元件可具有两个曲折端，其中这些曲折端的偏移程度优选可以不同。这种设计允许最佳地适应在其中使用本发明的加热系统的泵的设计条件。
进一步优选的是，向内方向定义为从投影到中心轴线上的载体单元延伸的凹槽的延伸方向，并且所述至少部分地为圆形的管状加热元件布置在凹槽中，所述至少一个曲折端在向内方向上位于凹槽的最大延伸部分处。在这种配置中，由于探入泵壳的延伸长度较大，因此可改善作为可能的热点的曲折端的冷却。
进一步优选的是，凹槽的横截面的尺寸至少部分地连续减小，其中所述至少部分地为圆形的管状加热元件布置在凹槽中，所述至少一个曲折端至少大致位于凹槽的最大横截面处。在这种配置中，能改善可作为可能的热点的曲折端的冷却，并进一步提高加热元件的耐用性。
加热元件与载体单元之间的联接可按不同方式实现。在一种有利的配置中，加热元件通过接合工艺联接至载体单元。
该接合工艺可包括焊接、钎焊或胶合。使用这些接合技术可在加热元件与载体单元之间提供安全连接。尤其是，通过使用焊接或胶合技术，可将附加材料插入到加热元件与载体单元之间的可能间隙中，由此可优化从加热元件至载体单元的热传递。对于胶合工艺，必须注意所使用的胶应在热稳定性和导热性方面具有特定特征。
加热元件与盘形载体单元中的凹槽之间的连接或接合应设计为使得在从横截面观察时，加热元件的外圆周的至少50％与凹槽的边界表面平面接触，优选该接触部分应>50％。例如，在焊接过程中不考虑可能在凹槽中的加热元件的外周面与凹槽的边界表面之间形成的缺陷(例如气泡夹杂)。
为了在加热元件的整个长度上传递均匀的热输出，加热元件的横截面的尺寸可至少大致恒定。
但是，加热元件也可具有横截面尺寸不同的部分。在一个实施例中，加热元件的端部可具有比其余部分大的横截面。加热元件也可设有不止两个具有不同横截面尺寸的区段。这些设计允许提供具有不同热输出区域的加热元件，例如以便适应特定应用。
或者或另外，可能有利的是，加热元件的横截面的尺寸至少大致连续地且至少部分地减小。因此，这些区段可提供连续增加或减少的热输出。
加热元件的横截面可具有任何适当的形状。在一个实施例中，加热元件具有圆形横截面。具有圆形横截面的加热元件的生产的复杂性较低。
当然，加热元件也可具有非圆形横截面，例如三角形、矩形或椭圆形横截面。可选择加热元件的横截面以适应具体应用，或者在特定应用中实现加热元件与载体单元之间的最大接触面积。
为了控制加热系统，并为了保护加热元件不被破坏，进一步有利的是，可在加热元件的背离载体单元的表面处布置至少一个安全装置。在一种简单的情况下，所述安全装置可以是用于检测加热元件的温度的温度传感器，例如NTC热敏电阻或机电开关单元。在检测到意外的高温时，可执行安全关机，或者可控制加热元件使得温度降低，例如通过减小供电电流来控制。
为了提高安全性和增加控制选项，可在加热元件的背离载体单元的表面处布置另一个安全装置，并与该位置隔开一定距离。所述另一个安全装置可布置为使得其不与加热元件直接接触，而是与加热元件保持预定距离。可选择所述另一个安全装置的距离和位置，使得能够限制待加热介质的最高温度，并对加热元件进行热保护以防止其过热，而无需激活热熔断器。第二安全装置也可实现为温度传感器，例如NTC热敏电阻或机电开关单元。
此外，根据本发明，载体单元可至少在背离加热元件的表面上(即，可与待加热介质接触的表面上)设有保护涂层。这种涂层可保护载体单元免受腐蚀或可能的侵蚀性介质的其它影响。该保护涂层可由无机材料、溶胶-凝胶材料、玻璃状材料等制成。
为了实现从加热元件至待加热介质的最佳热传递，有利的是，载体单元可包括具有最佳导热性的材料(例如铝或铝合金)或由这种材料组成。但是，根据待加热的介质或加热元件的最高温度，也可选择其它材料，例如不锈钢。
此外，提供了一种用于输送和加热流体介质的加热输送泵。所述泵包括驱动单元、泵壳、以及本发明的加热系统。在本发明的加热输送泵中，所述加热系统可联接至泵壳，其中凹槽延伸到泵壳中，使得凹槽的横截面的尺寸优选沿输送的流体介质的流动方向连续地或不连续地减小。由于凹槽的特定形状，可提高和/或优化输送泵的液压效率。
附图说明
下面将参照下列附图说明本发明的其它优点和优选实施例。在以下说明中使用的表述“左”、“右”、“下”、“上”指附图布置为可沿正常方向阅读所使用的附图编号或标记。
图1是本发明的加热输送泵的透视图；
图1a是图1的加热输送泵的分解图；
图2是图1的加热系统的透视图；
图3是本发明的加热系统的平面图；
图3a是沿图3中的A-A线截取的截面图；
图3b是沿图3中的B-B线截取的截面图；
图4是图3的加热系统(包括泵壳)的平面图；
图4a是沿图4中的P-P线截取的截面图；
图5是图3的加热系统的平面图；
图5a是沿图5中的D-D线截取的截面图；
图5b是沿图5中的E-E线截取的截面图；
图5c是图5b的安全装置的详图；
图6示出了本发明的加热系统的另一个实施例；
图7是本发明的加热系统的另一个实施例的详图；
图8a是本发明的加热系统的另一个实施例的平面图；
图8b是沿图8a中的F-F线截取的截面图。
具体实施方式
图1示出了本发明的加热输送泵1。加热输送泵1包括驱动单元10(例如电机)、泵壳50、以及加热系统100，这些部件沿公共中心纵向轴线A同轴布置。
在图1a中能够看出，泵壳50具有圆柱形壁52，该圆柱形壁52具有面向加热系统100的入口孔以及从圆柱形壁52径向延伸的出口分路54。该入口孔被加热系统100遮盖。加热系统100具有中心通孔，该中心通孔形成入口分路56。在泵壳50中，泵轮58布置为用于将流体介质从入口分路56输送到出口分路54。
如图1、图1a和图2所示，加热系统100具有盘状载体单元120和加热单元130，该加热单元130包括加热元件132、两个安全装置B、C、以及用于将加热元件132和安全装置B、C连接至电源和控制单元的连接装置D。
分别具有圆形、圆坯、或圆盘形状的载体单元120具有圆形平面部分121，该圆形平面部分121被从平面部分121朝泵壳50大致竖直延伸的周缘122围绕，以包围和密封泵壳50中的入口孔(参见图3、3a、4a)。载体单元120的圆形平面121具有与中心纵向轴线A同轴布置的中心通孔，该中心通孔形成入口分路56。
在圆形平面部分121中布置有环形凹槽140，该环形凹槽140同轴地围绕载体单元120中的中心通孔和中心纵向轴线A。凹槽140从圆形平面部分121朝泵壳50延伸。在加热输送泵1安装好的状态下，凹槽140延伸到泵壳50中。
凹槽140近似为V形，具有平直侧边(leg)和优选为圆形的凹槽底部或凹槽底面140a，该凹槽底部或凹槽底面140a的直径至少大致对应于加热元件132的横截面的高度(参见图3a)。但是，凹槽底面140a的直径也可小于加热元件132的横截面的高度。凹槽140具有螺旋区段，在该区段中凹槽140的深度以及其横截面的尺寸沿逆时针方向或沿泵轮58的旋转方向连续减小，并且凹槽140具有深度恒定的平坦区段(参见图4和图4a)。
加热元件132是环形的，其直径与环形凹槽140的直径对应，并具有曲折的第一端132a和平直的第二端132b。图3的加热元件132的横截面是V形的，并与凹槽140的横截面对应。
但是，V形凹槽的底部或底面140a也可具有平直部分，侧边通过较小的半径与该平直部分结合。在所有情况下，重要的是加热元件的形状至少大致与凹槽的形状相符。
加热元件132不仅是圆形的，而且还沿中心纵向轴线A形成为螺旋。这意味着加热元件132的圆形部分沿着圆形螺旋线延伸，第一端132a与第二端132b之间有高度差，第二端132b的平坦上表面大约在第一端132a的平坦上表面上方的高度h处。高度h可在零到25毫米范围中选择(参见图3、3a、4a)。
加热元件132布置在凹槽140中，使得曲折端132a处于凹槽140的螺旋区段的最深部分中，第二端132b处于平坦区段中，并且加热元件132的螺旋部分穿过凹槽140的螺旋区段。
泵壳50中的流动通道沿泵壳50的内表面延伸，并且其尺寸由宽度B及其高度限定。由于凹槽140或凹槽底面140a的螺旋形状，流动通道的高度从大约位于凹槽140的最大深度区域中的流动通道起始位置的第一高度h1增大到位于平坦区段区域中的端部位置的第二高度h2。
流动通道的横截面积影响泵的液压效率。本发明的加热泵1的流动通道的横截面积由其大致恒定的宽度B和沿流动方向从h1增大到h2的高度限定。由此，流动通道的横截面积沿流动方向增大，从而可提高加热泵1的液压效率。
加热元件132的螺旋形状(与凹槽140的螺旋形状对应)以及其配套的横截面形状在加热元件132与凹槽140的接触表面之间提供最大接触面积。因此，实现了从加热元件132经由载体元件120向待加热介质的最佳热传递。
此外，由于加热元件132和凹槽140的螺旋形状，只需将加热元件132的一端132a必须实施为曲折端，而第二端132b可保持平直。因此，能省略可形成可能的热点的一个曲折端。应理解，术语“平直端”还包括一种加热元件132的第二端132b与加热元件132的其余圆形部分对应地是圆形的设计。就本发明而言，“平直端”意味着该端不是曲折的。
此外，曲折的第一端132a布置在凹槽140的探入泵壳50的延伸长度最大的部分中。因此，加热元件132的曲折端132a(也可以是可能的热点)被流体介质最佳地冷却。
加热元件132可通过适当的接合工艺固定在凹槽140中，例如焊接、钎焊或胶合。这些接合技术可在加热元件132与载体单元120之间提供安全连接。尤其是，通过使用钎焊或胶合技术，插入在加热元件132与凹槽140的内表面之间的附加材料可填充其间的可能间隙，并且可优化从加热元件132经由载体单元120向流体介质的热传递。对于胶合工艺，必须注意所使用的胶应在热稳定性和导热性方面具有特定特征。
加热元件与盘形载体单元中的凹槽之间的连接或接合应设计为使得在从横截面观察时，加热元件的外圆周的至少50％与凹槽的边界表面平面接触，优选该接触部分应>50％。例如，在焊接过程中不考虑可能在凹槽中的加热元件的外周面与凹槽的边界表面之间形成的缺陷(例如气泡夹杂)。
作为接合工艺的一个替代方案，可在载体元件120的凹槽140中安装加热元件施力配件。凹槽的横截面可设计为使得它具有大致矩形或梯形的形状，其侧壁向相应形状的加热元件施加夹紧力。
在一种情况下，凹槽的侧边的上端之间的距离(在开口侧)小于凹槽底部处的侧边的端部之间的距离。具有与凹槽底部处的侧边端部之间的距离对应的宽度的加热元件可被压入凹槽140中，并通过由凹槽的侧边的上端施加到其上的偏置力固定在凹槽140中。
然后可用导热膏等填充凹槽的内表面与加热元件之间的可能间隙。
载体元件120优选由铝材或铝合金制成，这种材料提供适当的导热特征。但是，根据具体应用或待加热的介质，也可使用其它材料。在采用腐蚀性介质的情况下，可为载体单元使用不锈钢材料。或者或另外，载体单元120可设有保护涂层。该保护涂层可通过不同方式实现。在简单的情况下，提供耐腐蚀的塑料层可能就足够了。在其它情况下，可在铝或铝合金载体单元上滚涂一层不锈钢。此外，该保护涂层可由无机材料、溶胶-凝胶材料、玻璃状材料等制成。
加热单元100设有安全装置B、C和连接装置D。安全装置B、C布置在加热元件132的相应部分处，安全装置B靠近加热元件132的第二端132b(参见图5)。
安全装置B可以是温度传感器，例如NTC热敏电阻或机电开关单元，它直接附接至加热元件132，以便检测加热元件132的温度。安全装置C可以是由NTC热敏电阻形成的第二个温度传感器，它布置在加热元件132的中心区域中，并与加热元件132相距距离k(参见图5a、5b、5c)。安全装置C可布置在载体元件处，该载体元件布置在加热元件132上方，并具有与加热元件132的相应距离。安全装置C的距离k和位置可选择为能限制最高流体介质温度，并对加热系统100进行热保护以防止其过热，而无需激活热熔断器。通常，距离k在0.3至3毫米范围内选择，尤其是1.5毫米，并可能取决于载体单元120的材料种类。在材料具有高导热率的情况下，与载体单元120的材料具有较低导热率的情况相比，距离k可较小。
通过使用安全装置B和/或C，可调节待加热介质的温度，从而可实现防止沸腾和/或蒸干的保护。
安全装置B、C以适当的方式固定到加热元件132或载体单元120。安全装置B、C可钎焊、焊接、胶合或通过例如由弹性元件(如弹簧)施加的偏置力压靠在相应的加热或载体元件上，以在安全装置B、C与相应元件之间提供足够的接触，以便正确检测温度。图6示出了焊接到加热元件132和载体单元120上的安全装置B、C。在图7中，安全装置B、C之一通过夹紧元件固定到载体单元120上，该夹紧元件类似于固定板E，在固定板E与安全装置B、C之间设有弹性元件F。
加热元件132的横截面在此被描述为V形的，并与凹槽140的横截面形状对应。但是，加热元件以及凹槽可具有任何适当的形状，例如三角形、矩形、梯形或圆形。重要的是，加热元件的形状至少大致与凹槽的形状相符。
所述的V形加热元件132是优选的，因为纵向穿过管状主体的加热丝布置为与管状主体的V形部分相距大致相等的距离，该V形部分与向待加热的流体介质传递热量的表面部分对应。由此，可实现在加热元件的长度上的均匀热传递。
图8a和8b示出了本发明的加热系统100的另一个实施例。在此，凹槽底面140a仅具有相对于与中心纵向轴线A垂直相交的水平面倾斜的一个区段。从图8b能看出，凹槽底面140b的形状或轮廓与所谓的莱布斯卷筒相似。当然，也可在凹槽底面140a中设置多个这样的区段。另外，从凹槽底面140a的表面区段和平行延伸的斜面向水平面的过渡可以是圆形的，或者可形成为锐边。此外，凹槽底面140a的两个水平表面区段本身可相对于水平面倾斜。

Claims (15)

1.一种用于加热流体介质的加热系统(100)，所述加热系统(100)包括：
盘状载体单元(120)和加热单元(130)；
该载体单元(120)具有中心轴线(A)、至少部分地围绕该中心轴线(A)延伸的凹槽(140)，以及底面(140a)；并且
该加热单元(130)具有至少部分地布置在所述载体单元(120)的所述凹槽(140)中的加热元件(132)；
其特征在于，凹槽底面(140a)的至少一个区段具有倾角>0°的斜面。
2.如权利要求1所述的加热系统，
其特征在于，凹槽底面(140a)的斜面的梯度至少部分地是连续的。
3.如权利要求1或2所述的加热系统，
其特征在于，凹槽底面(140a)的斜面的梯度至少部分地是不连续的。
4.如权利要求1至3所述的加热系统，
其特征在于，凹槽(140)的底面(140a)具有至少两个倾角不相等的区段。
5.如权利要求1至3所述的加热系统，
其特征在于，凹槽(140)的底面(140a)具有至少两个倾角相等的区段。
6.如权利要求4或5所述的加热系统，
其特征在于，所述区段是顺次接续的。
7.如权利要求4或5所述的加热系统，
其特征在于，所述区段是彼此分开的。
8.如权利要求1至7所述的加热系统，
其特征在于，凹槽底面(140a)至少部分地围绕中心轴线(A)螺旋延伸。
9.如权利要求1至8中任一项所述的加热系统，
其特征在于，加热元件(132)具有至少一个曲折端(132a)。
10.如权利要求9所述的加热系统，
其特征在于，加热元件(132)具有两个曲折端(132a、132b)，其中曲折端(132a、132b)的偏移程度优选是不同的。
11.如权利要求9所述的加热系统，
其特征在于，向内方向定义为从投影到中心轴线(A)上的载体单元(120)延伸的凹槽(140)的延伸方向，并且所述至少部分地为圆形的管状加热元件(132)布置在凹槽中(140)，所述曲折端(132a)在向内方向上位于凹槽(140)的最大延伸部分处。
12.如权利要求1至11中任一项所述的加热系统，
其特征在于，所述凹槽(140)的横截面的尺寸至少部分地连续减小，其中所述至少部分地为圆形的管状加热元件(132)布置在凹槽(140)中，所述曲折端(132a)至少大致位于凹槽(140)的最大横截面处。
13.如权利要求1至12中任一项所述的加热系统，
其特征在于，所述载体单元(120)至少在背离加热元件(132)的表面上设有保护涂层。
14.如权利要求1至13中任一项所述的加热系统，
其特征在于，所述载体单元(120)包括导热材料或由导热材料组成，例如铝或铝合金。
15.一种用于输送和加热流体介质的加热输送泵(1)，所述泵包括：
驱动单元(10)、泵壳(50)和加热系统(100)，
其特征在于，所述加热系统(100)是如权利要求1至14中任一项所限定的加热系统。
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