CZ209799A3 - Zlepšené ponorné topné těleso s polymerním povlakem s vysokou tepelnou vodivostí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrických odporových topných těles, vynález se týká zvláště odporových topných těles pro ohřev plynů a kapalin, která obsahují polymery.

Dosavadní stav techniky

Tato přihláška z části navazuje na U.S. patentovou přihlášku č. 08/365,920 podanou 29. prosince 1994 pod názvem Ponorné topné těleso s elektrickým odporovým topným materiálem a na něm umístěnou polymerní vrstvou, která se stala U.S. patentem č. 5,586,214. Tato přihláška z části navazuje také na U.S. patentovou přihlášku sériového č. 08/755,836 podanou 26. listopadu 1996 pod názvem Zlepšené polymerní ponorné topné těleso se skeletovou nosnou konstrukcí a možnými žebry pro přestup tepla.

Elektrická odporová topná tělesa, která se používají v souvislosti s ohřívači vody, se tradičně vyrábějí z kovových a keramických složek. Obvyklá konstrukce

0 takového topného tělesa zahrnuje pár svorkových kolíků připájených ke koncům

Ni-Cr smyčky, která je axiálně umístěna do trubkového kovového pouzdra tvaru U. Odporová smyčka je od kovového pouzdra odizolována práškovým keramickým materiálem, obvykle oxidem hořečnatým.

Ačkoliv jsou tato tradiční topná tělesa tažným koněm průmyslového odvětví ohřevu vody po mnoho desetiletí, nejsou prosta nedostatků. Například, galvanické proudy, ke kterým může dojít mezi kovovým pouzdrem a případným obnaženým kovovým povrchem nádrže, mohou způsobovat korozi anodických kovových složek systému. Na kovovém pouzdře, které je obvykle z mědi nebo jejích slitin, se

0 z vody mohou usazovat vápenaté sloučeniny, které mohou vést až k předčasnému selhání topného tělesa. Navíc používání mosazných šroubení a měděných trubek je velmi nákladné, neboť cena mědi se za poslední roky značně zvýšila.

US-274 • · 9 9 9 9 9 9 9 • · 9 9999 9 ·· ·

999 9999 9 9

99999 99 99 99 99

Jako alternativu ke kovovým tělesům navrhl Cunningham v U.S. patentu č. 3,943,328 elektrické topné těleso s krytem plastovým. V patentu popsaném zařízení se použije obvyklého odporového drátu a práškového oxidu hořečnatého ve spojení s plastovým krytem. Protože plastový kryt je nevodivý, nemůže s dalšími kovovými díly topné jednotky, které se s vodou v nádrži stýkají, vzniknout galvanický článek, a rovněž vápenaté sloučeniny se na povrchu topného tělesa nemohou usazovat. Bohužel, z různých důvodů nelze u těchto dosud známých, plastem pokrytých topných těles po dobu normální životnosti dosáhnout vysokých io příkonů a proto se tato tělesa nějak zvlášť nerozšířila.

Podstata vynálezu

Vynález přináší elektrická odporová topná tělesa pro použití ve spojení s ohřevem tekutých médií, jako je vzduch nebo voda. Tato tělesa zahrnují tělo tělesa, které má na sobě nosný povrch, a odporový drát navinutý na nosný povrch a připojený k nejméně páru svorkových koncových částí tělesa. Odporový drát a nosný povrch překrývá tepelně vodivý polymerní povlak, který tvoří hermetické těsnění okolo odporového drátu. Tepelně vodivý polymerní povlak má tepelnou vodivost nejméně 0.5 W/m.K.

Topná tělesa podle vynálezu jsou navržena tak, aby byla schopna dávat příkony od 1000 W do asi 6000 W a více. Pro ohřev plynu se tato tělesa mohou navrhnout pro příkony menší než asi 1200 W. Zlepšené tepelně vodivé polymerní povlaky podle vynálezu mají takové hodnoty tepelné vodivosti, které dovolují významně zvětšit odvod tepla z odporového drátu. Tato vlastnost popsaným tělesům umožňuje účinný ohřev média bez nebezpečí roztavení relativně tenkého polymerního povlaku. Přednostní plnění polymerního povlaku se pohybují v rozsahu asi 60-200 dílů keramického materiálu na 100 dílů pryskyřice. Spodní mez je dána velikostí tepelné vodivosti, která je nezbytná pro ohřev tekutiny, horní

0 mez se určí tak, aby bylo možné tato tělesa tvářet standardními postupy, jako je lití vstřikováním. Mechanickou pevnost polymerního povlaku lze zvýšit přídavkem vláken, povlak potom v průběhu cyklického tepelného namáhání, k jakému

US-274

• · · · · · 4 · ·· · ·· ·· ·· t>· ·» dochází v obvyklých aplikacích v ohřívačích vody, lépe čelí vzniku trhlin a deformací.

V dalším provedení vynálezu se pro snížení galvanické koroze ohřívačů 5 vody zlepšeným tepelně vodivým polymerním povlakem opatří konvenční, kovem krytá tělesa. Nedojde přitom k podstatnému zásahu do účinnosti ohřevu kapaliny.

Přehled obrázků na výkresech

Doprovodné výkresy zobrazují nejen přednostní provedení vynálezu, ale i io množství dalších informací, které se vynálezu přímo týkají. Na výkresech:

Na obr. 1 je perspektivní pohled na přednostní polymerní ohřívač tekutiny podle vynálezu;

Na obr. 2 je levý bokorys polymerního ohřívače tekutiny dle obr. 1;

Na obr. 3 je nárys, včetně částečného řezu, polymerního ohřívače tekutiny dle obr. 1;

Na obr. 4 je nárys, částečně v řezu, přednostního vnitřního výlisku polymerního ohřívače tekutiny dle obr. 1;

Na obr. 5 je nárys, částečně v řezu, přednostní svorkové sestavy pro polymerní ohřívač tekutiny dle obr. 1;

Na obr. 6 je nárys detailu konce přednostního vinutí pro polymerní ohřívač tekutiny podle vynálezu;

Na obr. 7 je nárys detailu provedení dvojitého vinutí pro polymerní ohřívač

0 tekutiny podle vynálezu;

• · · · · · · · « · 4

4 4 4444 4 4« ·

US-274 • 4 4 4444 4

444 44 44 44 44 4 4

Na obr. 8 je čelní perspektivní pohled na přednostní skeletový nosný rám topného tělesa podle vynálezu;

Na obr. 9 je zvětšený částečný pohled na přednostní skeletový nosný rám 5 dle obr. 8, který ukazuje nanesený tepelně vodivý polymerní povlak;

Na obr. 10 je zvětšený řez alternativním skeletovým nosným rámem;

Na obr. 11 je bokorys skeletového nosného rámu dle obr. 10; io

Na obr. 12 je nárys celého skeletového nosného rámu dle obr. 10; a

Na obr. 13 je podélný řez zlepšeného kovem povlečeného topného tělesa, které je vybaveno tepelně vodivým polymerním povlakem podle vynálezu.

Příklady provedeni vynálezu

Vynález přináší elektrická odporová topná tělesa a ohřívače vody, které tato tělesa obsahují. Tato zařízení jsou užitečná tím, že minimalizují galvanickou korozi v ohřívačích vody a olejů, omezují usazování vápenatých sloučenin a řeší

0 problémy se zkrácenou životností. Termíny tekutina a tekutá látka se míní jak kapalina, tak plyn.

Na výkresech, zejména potom na obr. 1 až 3, je zobrazen přednostní polymerní ohřívač 100 tekutiny podle vynálezu. Polymerní ohřívač 100 tekutiny obsahuje elektricky vodivý, odporový topný materiál. Odporový topný materiál může mít formu například drátu, síťoviny, pásky nebo vlny. V přednostním ohřívači 100 se odporové teplo generuje ve vinutí 14, jehož pár volných konců je připojen k páru svorkových zakončení 12 a 16. Vinutí 14 je od tekutiny hermeticky a elektricky izolováno integrální vrstvou vysokoteplotního polymerního materiálu.

0 Jinak řečeno, aktivní odporový topný materiál je před zkratováním v tekutině chráněn polymerním povlakem. Odporový materiál podle vynálezu má dostatečný povrch, délku a tloušťku k tomu, aby ohřál vodu na teplotu nejméně 120°F bez

Z US-274 • ·· ·· «V ·· ·· • · · · · · · ··· • · · · · · · · « · · • · * « · · · · ··» Φ· ·Λ *· ·» roztavení polymerní vrstvy. Jak bude uvedeno dále, pečlivým výběrem odpovídajících materiálů a jejich rozměrů se toho dá dosáhnout.

Jak je zřejmé zejména z obr. 3, přednostní polymerní ohřívač 100 tekutiny 5 se obecně skládá ze tří integrálních částí: svorkové sestavy 200. která je zobrazena na obr. 5, vnitřního výlisku 300, který je zobrazen na obr. 4, a polymemího povlaku 30. Dále následuje podrobný popis všech uvedených částí a popis jejich sestavení do polymemího ohřívače 100 tekutiny.

io Přednostní vnitřní výlisek 300 ukázaný na obr. 4 je jednodílnou, vstřikováním zhotovenou částí z vysokoteplotního polymeru. Vnitřní výlisek 300 má na vnějším konci s výhodou přírubu 22. Na přírubu 32 navazuje nákružková část s množstvím závitů 22. Závity 22 jsou navrženy takové, aby lícovaly s vnitřním průměrem upevňovacího otvoru ve stěně nádrže, například nádrže 13 ohřívače vody. Vnitřní strana příruby 32 se pro zajištění dokonalejšího utěsnění může osadit O-kroužkem (není zobrazen). Přednostní vnitřní výlisek 300 dále zahrnuje termistorovou dutinu 39, která se nachází uvnitř jeho kruhového průřezu. Termistorová dutina může zahrnovat koncovou stěnu 33, která termistor 25 odděluje od tekutiny. Termistorová dutina 39 je s výhodou na straně příruby 32

0 otevřená, takže se do ní může snadno vložit svorková sestava 200. Přednostní vnitřní výlisek 300 obsahuje také nejméně pár vodičových dutin 31 a 35, které se nachází mezi termistorovou dutinou a vnější stěnou vnitřního výlisku a do kterých se vloží sběrací vodič 18 a svorkový vodič 20 svorkové sestavy 200. Vnitřní výlisek 300 obsahuje řadu příčných vodicích drážek 38. které jsou rozmístěné po jeho vnějším obvodu. Drážky mohou být vinuty závitově, mohou být samostatnými rýhami, apod. a měly by být navzájem vzdáleny natolik, aby zajišťovaly elektrické oddělení jednotlivých závitů přednostního vinutí 14.

Přednostní vnitřní výlisek 300 se může vyrobit postupy odlévání

0 vstřikováním. Průtočná dutina H se s výhodou vytvoří pomocí 12.5 palce dlouhého, hydraulicky ovládaného středového jádra, takže vznikne těleso s délkou asi 13-18 palců. Vnitřní výlisek 300 se může odlít v kovové formě, jejíž prstencový vtok leží na opačném konci než příruba 32. Žádoucí tloušťka stěny aktivní části 10 ··: ··: us-274 fl · tělesa je menší než 0.5 palce, výhodně méně než 0.1 palce, s konečným cílem v rozsahu od 0.04 do 0.06 palce, kterýžto rozměr je považován za současnou spodní hranici dosažitelnou se stávajícím licím zařízením. Na aktivní části 10 tělesa, mezi po sobě jdoucími závity nebo rýhami, se litím vytvoří i pár závěsů nebo kolíků 45 a 55. které slouží pro ukončení nebo zakotvení závitů jednoho nebo více vinutí. Termistorová dutina 39, průtočná dutina 11, vodičové dutiny 31 a 35 a průtočné otvory 57 se vytvoří v rovněž v průběhů lití s použitím radiálních a axiálních jader.

io Nyní následuje, s odkazy na obr. 5, podrobný popis přednostního provedení svorkové sestavy 200. Základem svorkové sestavy 200 je polymerní zátka 28, do které se vloží pár svorek 23 a 24. Jak je ukázáno na obr. 2, svorky 23 a 24 mohou obsahovat závitem opatřené díry 34 a 36, do kterých se zašroubují závitem opatřené koncovky, například šrouby, pro upevnění vnějších elektrických vodičů.

Svorky 23 a 24 jsou koncovými částmi svorkového vodiče 20 a termistorového vodiče 21. Termistorový vodič 21 elektricky spojuje svorku 24 s vývodem 27 termistoru. Druhý vývod 29 termistoru je spojen se sběracím vodičem 18, který se vloží do vodičové dutiny 35 tak, že prochází podél spodní části vnitřního výlisku 300 dle obr. 4. Obvod se uzavře termistorem 25. Termistor 25 se volitelně může

0 nahradit termostatem, termočlánkem nebo jednoduše zemnicím páskem, který se připojí k vnějšímu jističi nebo podobnému zařízení. Věří se, že zemnicí pásek (není zobrazen) se může umístit do blízkosti jednoho ze svorkových zakončení 16 a 12 tak, aby se v případě tavení polymeru vinutí zkratovalo.

V přednostním provedení je termistorem 25 mžikový termostat/tepelná ochrana, jakým je Model W Series společnosti Portage Electric. Tato tepelná ochrana má malé rozměry a pracuje pod střídavým napětím jak 120, tak 240 VAC. Tvoří ji vodivá, bimetalická konstrukce s elektricky aktivním pouzdrem. Zátkou 25 je s výhodou samostatný vstřikováním odlitý polymerní díl.

Po vyrobení svorkové sestavy 200 a vnitřního výlisku 300 se s výhodou obě tyto části sestaví ještě předtím, než se do vodicích drážek 38 aktivní části 10 tělesa navine vinutí 14. Péče se musí věnovat zejména zajištění propojení okruhu

US-274 ve svorkových zakončeních 12 a 16. Obvykle se toho dosáhne připájením nebo bodovým přivařením svorkových zakončení 12 a 16 vinutí ke svorkovému vodiči 20 a sběračovému vodiči 18. Důležité je rovněž uložení vinutí 14 na vnitřním výlisku 300 před nanesením polymerního povlaku 30. V přednostním provedení se polymerní povlak 300 na sestavu odlije tak, aby mezi ním a vnitřním výliskem 300 vznikla termoplastická polymerní vazba. Stejně jako u výroby vnitřního výlisku 300 se do formy v průběhu licího procesu vloží jádra, která zachovají průchodnost průtočných otvorů 57 a průtočné dutiny 11.

io Na obr. 6 a 7 je zobrazeno provedení jednoduchého a dvojného vinutí odporového drátu polymerního odporového topného tělesa podle vynálezu. V provedení s jednoduchým vinutím odporového drátu dle obr. 6 se do vodicích drážek 38 vnitřního výlisku 300 navine první pár drátu se závity 42 a 43 tak, aby vnikla šroubovice. V přednostním provedení se odporový drát zachytí za kolík 45 tak, že vznikne ohyb nebo zakončení 44. Kolík 45 je v ideálním případě částí, tj. je spolu s ním odlit, vnitřního výlisku 300.

Obdobně lze vytvořit uspořádání s dvojným odporovým drátem. V tomto provedení je první pár závitů 42 a 43 prvního odporového drátu oddělen od

0 následného páru závitů 46 a 47 stejného odporového drátu zakončením 54 závitů sekundárního vinutí, které je zachycené za kolík 55. Druhý pár závitů 52 a 53 druhého odporového drátu, který je elektricky připojen k zakončení 54 závitů sekundárního vinutí, se poté navine okolo vnitřního výlisku 300 do volného páru navzájem sousedících vodicích drážek vedle závitů 46 a 47. Ačkoliv je sestava

5 dvojného vinutí zobrazena s páry závitů jednotlivých odporových drátů, které se pravidelně střídají, rozumí se, že závity se mohou navíjet ve skupinách dvou či více závitů každého z odporových drátů či v nepravidelných počtech a v libovolných tvarech vinutí, je nutné pouze dodržet pravidlo, že jednotlivá vinutí jsou od sebe navzájem izolována buď vnitřním výliskem, nebo jiným izolačním o materiálem, jakým jsou například samostatné plastové povlaky apod.

Plastové díly topného tělesa podle vynálezu, jako jsou polymerní povlak 30, skeletový nosný rám 70 a vnitřní výlisek 300, jsou přednostně z vysokoteplotního • · · · · fl · ···· • · « · ···· · · · · • « · flflflfl • flfl flfl ·*

US-274 polymeru, který se významně nedeformuje ani netaví při teplotě tekutiny okolo 120-180°F a teplotě vinutí okolo 450-650°F. Nejvýhodnější se jeví použití termoplastových polymerů s teplotou tavení vyšší než 200°F, přednostně vyšší, než je teplota vinutí, ačkoliv lze použít i určité keramické materiály a termosetové polymery. Přednostní termoplastové materiály mohou zahrnovat: fluorované uhlovodíky, polyaryl-sulfony, polyimidy, bismaleimidy, polypatalamidy, polyetereterketony, polyfenylen sulfidy, polyeter sulfony, a směsi a kopolymery těchto termoplastů. Termosetové polymery vhodné pro tuto aplikaci zahrnují polyimidy, určité epoxidy, fenolové sloučeniny a silokony. Pro zlepšení vlastností za vysokých teplot se mohou použít polymery kapalných krystalů (LCP - Liquid Crystal Polymers).

V přednostním provedení vynálezu se použije polyfenylen sulfid (PPS), neboť má dobré vlastnosti při zvýšených teplotách, je levný a, zejména v průběhu lití vstřikováním, snadno zpracovatelný.

Polymery podle vynálezu mohou obsahovat asi 5-60 hmotnostních procent vláken. Vlákna přidaná do termoplastů a termosetů dramaticky zvyšují jejich pevnost. Například, krátká skelná vlákna zvyšují mez pevnosti konstrukčních

0 plastů při plnění asi 30% přibližně dvakrát. Přednostní vlákna zahrnují sekaná skelná vlákna, jako jsou E-skelná vlákna a S-skelná vlákna, borová vlákna, aramidy, jako je Kevlar 29 nebo 49, grafitová a uhlíková vlákna včetně vysokopevného grafitu. Mezi další možná vlákna patří tepelně zpracovaná vlákna na bázi polyfenylen benzobistiazolu (PBT) a polyfenylen benzobisoxozolu (PBO) a uhlíko/grafitová vlákna s 2% předpětím.

Uvedené polymery se mohou míchat s různými dalšími přísadami pro zlepšení tepelné vodivosti a vlastností uvolňování z formy. Tepelnou vodivost zlepší přídavek oxidů kovů, nitridů, uhličitanů nebo karbidů (dále jen keramické

0 přísady), případně nízká koncentrace uhlíku nebo grafitu. Přísady mohou mít formu prášku, šupin nebo vláken. Dobrými příklady jsou oxidy, karbidy, uhličitany a nitridy cínu, zinku, mědi, molybdénu, vápníku, titanu, zirkonu, boru, křemíku, ytria,

US-274 • ♦ «frfr fr··· • · · · · · ♦ · · · · • · · · · ·· *· ·· ·· hliníku nebo hořčíku, případně slídy, skelných keramickým materiálů nebo taveného oxidu křemičitého.

Plnění polymerní matrice těmito tepelně vodivými materiály je s výhodou v 5 rozsahu od 60 do 200 dílů přísady na 100 dílů pryskyřice (PPH), výhodněji okolo 80-100 PPH. Uvedené přísady jsou obecně elektricky nevodivé, ovšem lze použít i vodivé přísady, jako jsou kovová vlákna a práškové šupiny, případně kovy jako nerezavějící ocel, hliník, měď nebo mosaz, či vysoké koncentrace uhlíku nebo grafitu, ovšem za předpokladu, že se následně povlečou elektricky nevodivým io polymerním povlakem. Pokud se takový elektricky vodivý materiál použije, je nutné věnovat péči elektrické izolaci jádra, aby nemohlo dojít ke zkratu mezi vinutími.

Na druhé straně je však rovněž důležité, aby se výše popsaných přísad 15 nepoužilo nadměrné množství, neboť je známo, že nadbytek vláken nebo přídavku kovu či oxidu kovu znesnadňuje licí operace. Topné těleso podle vynálezu se může vyrobit z libovolné kombinace uvedených materiálů. V závislosti na konečné aplikaci topného tělesa se na výrobu různých částí vynálezu mohou použít vybrané polymery jak s přísadami, tak bez nich.

Podstatou vynálezu je zejména skutečnost, že mnoho kombinací polymerních pryskyřic, skelných vláken a různých tepelně vodivých plniv v různých procentních složeních se v polymerních kompozicích využije k zajištění žádoucích hodnot tepelné vodivosti pro topná tělesa různých příkonů. Mimo zpevňujících a tepelně vodivých přísad mohou plastové kompozice podle vynálezu obsahovat také přísady pro usnadnění uvolnění z formy, zlepšení rázových vlastností a tepelně -oxidační stabilizátory, které nejenže zlepšují vlastnosti plastových dílů a prodlužují životnost topného tělesa, ale také usnadňují proces lití.

0 Kompozice uvedené dále v tabulce 1 byly připraveny smísením polyfenylen sulfidu s uvedenými množstvími oxidu hlinitého, oxidu hořečnatého a sekaných skelných vláken způsobem, který je odborníkům dobře znám. Pelety těchto materiálů byly vstřikováním odlévány do ASTM testovacích vzorků, které se dále

US-274 testovaly dle ASTM postupů. Zjišťovaly se mez pevnosti, pevnost v ohybu, ohybový modul a vrubová houževnatost. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. Hodnoty tepelné vodivosti byly získány obdobně.

Zjistilo se, že porovnávací příklad 1 měl příliš nízkou tepelnou vodivost k tomu, aby se mohl uplatnit v ohřívačích vody. Když se materiál z příkladu 8, který měl největší tepelnou vodivost, vstřikováním odléval na navinuté jádro, aby tak vzniklo topné těleso podle vynálezu, docházelo v něm při tloušťkách stěny pod 0.030 palce k trhlinám a prasklinám. Ovšem tloušťky stěny větší než 0.030 palce io umožní i takto vysoká plnění. To je důkazem toho, že mez pevnosti a pevnost v ohybu, stejně jako rázová pevnost, jsou přídavky práškových keramických přísad ovlivňovány nepříznivě, ovšem tyto vlivy vysokých plnění lze překonat změnami v konstrukci tělesa a složení pryskyřice.

Ideálně by mez pevnosti polymerního povlaku měla být nejméně 7000 psi, přednostně v rozmezí 7500 až 10 000 psi, ovšem za předpokladu uspokojivé hodnoty tepelné vodivosti. Ohybový modul při provozních teplotách by měl být nejméně asi 500 Kpsi, přednostně větší než 1000 Kpsi.

0 Nakonec, ze všech materiálů v tabulce 1 se pro použití v ohřívačích vody nejvýhodnějšími jeví materiály, které odpovídají příkladům 6 a 7, neboť mají nejlepší poměr mezi pevnostními a tepelnými vlastnostmi. Samozřejmě, že keramické plnění asi 60-200 PPH slouží k maximálnímu možnému zvýšení tepelné vodivosti, ovšem bez narušení licí operace. Tepelná vodivost výsledného povlaku by měla být nejméně asi 0.5 W/mK, přednostně asi 0.7 W/mK a ideálně větší než asi 1 W/mK.

Tyto kompozice jsou uváděny pouze jako příkladné, nikoliv jako omezující. Odborníkům jsou jistě zřejmé nespočetné kombinace různých vodivých plniv a

0 zpevňujících vláken v pryskyřicích, které lze optimalizovat se zřetelem k práci v zařízení podle tohoto vynálezu. Takové kombinace mohou zahrnovat vysokoteplotní LCP nebo PEEK pryskyřici s přísadami nitridu boru a sekaných flfl flfl • flfl « flflflfl

US-274 fl • fl • fl fl · • · · · • flfl · • flfl · fl fl · fl flfl fl • fl flfl skelných vláken, případně, pokud jde o cenová hlediska, PPS pryskyřici s přísadami AI₂O₃ nebo MgO a sekaných skelných vláken.

12*

999 «· »* · · ► ♦ · > « 999 • · 9 9

9 · ♦ • · · ·

999 999 ·

· 9 ·

CO

Σ3 _Q

CO

Porovnávací co “O _ro >1—

Q_

Ntj ro >1—

CL

CO

TJ ro

CL

LO

TJ ro >L_

X

TJ ro co

TJ

JP

CN

TJ

JP >t_

X

TJ

JP >u.

CL

			O
co o		O o co	O 05 O	O co Ν’	LO CN
CN	1 CO	l·-	t—	CN	Ó

CN

CN

LO

CN

O O

O O _o

CO CO g

O CD t· co ó

CO

		o	O
		o	O	θ
		CD	CN	o	O
O	, N-	CO	O	05	LO
CD	1 LO	X“	CN	T“	Ó

LO ó

co

C ro cl

TJ φ

!~

CO

CM

CO

NX

X

IX w

’c

Έ •g x

O

O O O O TT ID

I- Ν' O Tt T- CM mT nco co

O

O

CD co

LO o

Ν’

O

O

IO

O

O

LO o

σ>

hTfr

CD

Ó

O o

CD

O

O

O LO CO	CN	b-
LO	co
V“	Ó	ó

	o
O	o
O	LO		o
00	CD	o	’Ν'
o	V“	00	Ó

CD

CO

ID CO CN ΤΟ) CD CD

CN

O

CO co o

CN

X

X

X^ ro c

>o

Φ >1—

O x:

g x

O

X

X x

ro c

JP >

*ro _c

Φ ω

co

Q.

CO

O

C >

Φ

Q.

N

Φ

CO

Q.

□ X3 > x: o > 4—* co o

c >

Φ

X □

TJ

O

Ξ >

o

X5 >s o

o

LO

CN ’w

Q.

CO

O «*-» ro c

>

φ >N □

O _c 'ro >

o x>

X.

E co o

>

TJ

O >

*ro c

φ

Cl

Φ l·D xz i_

Φ

Cl co ro

Cl

I

X

Οχ

Φ g

ro

E 'Φ >

o tj

Έ

D

CO c

Φ

I o

Q.

TJ

O

CO ro c

j= o

Φ τ

>

ro c

*ro

TJ

D

ZJ

O

TJ ro co co >N

O c

E ro c

_c o

Φ >co >

US-274

4 4 • 4 · 4 • · 4 4 4 4 •44 »4 4

4 4 4 4 ♦» • 4 ·· • · 4 · 4

4 4 4 4 ·

4 4 ·

Výše uvedenými polymerními materiály podle vynálezu lze povléci i kovová pouzdra konvenčních elektrických odporových topných těles. Předejde se tím mnoha problémům, o kterých je známo, že jimi taková topná tělesa trpí. Pouzdra se obvykle vyrábí z mědi a nerezavějící oceli. Navíc, vynález předvídá používání korozi neodolných materiálů, jako je například uhlíková ocel. Pro korozi odolné materiály pouzdra může být povlak ve srovnání s materiály korozi neodolnými relativně tenký. Pro korodující materiály musí být povlak nejméně asi 10 mils (1 mil = 1/1000 palce) a z materiálu s vysokou tepelnou vodivostí.

io Zlepšené provedení obvyklého elektrického odporového topného tělesa 201 je na obr. 13. V tomto tělese 201 prochází odporový topný drát axiálně Utvarovaným válcovým kovovým pouzdrem 220, od kterého je odizolován práškovým keramickým materiálem 230, který vyplňuje prostor mezi drátem 210 a kovovým pouzdrem 220. Pouzdro 220 je poté povlečeno vysoce tepelně vodivým povlakem 240 podle vynálezu, který brání vzniku galvanických proudů mezi kovovým pouzdrem a obnaženými prvky anodického kovu v systému. Vynikající tepelná vodivost polymerních materiálů, zvláště se zde popsanými přísadami, dovoluje topným tělesům dosahovat vysokých příkonů potřebných k účinnému ohřevu vody na teploty vyšší než 120° bez tavení povlaku.

Polymerní povlak se na kovové pouzdro, které může být například z mědi, mosazi, nerezavějící oceli či uhlíkové oceli, nanášet buď litím vstřikováním nebo ponořením kovového pouzdra do fluidního lože peletizovaného nebo práškového polymeru, jakým je například PPS, PEEK, LCD, apod.

Odporovým materiálem, který v ohřívačích tekutiny podle vynálezu vede elektrický proud a generuje teplo, je s výhodou odporový kov, který je elektricky vodivý a teplu odolný. Oblíbeným kovem je Ni-Cr slitina, vhodné jsou však i některé slitiny mědi, oceli a nerezavějíc! oceli. Předvídáme dále, že za

0 předpokladu, že budou schopny generovat množství tepla dostatečné k ohřevu tekutin, jako je voda, bude možné v budoucnu kovové odporové materiály nahradit vodivými polymery s obsahem grafitových, uhlíkových nebo kovových prášků nebo • 44 44 44 4· 4»

4· ♦ 4 44* 444* *4 4 4 4444 4 44 4

US-274 **4444 « *

444 44 «4 44 4« ·· vláken. Zbývající elektrické vodiče přednostního polymerního ohřívače 100 tekutiny se mohou vyrobit také z těchto vodivých materiálů.

Alternativou k přednostnímu vnitřnímu výlisku 300 vynálezu je skeletový 5 nosný rám 70 zobrazený na obr. 8 a 9. Ukázalo se, že oproti vnitřnímu výlisku 300 má některé výhody. Při odlévání vstřikováním plného vnitřního výlisku 300. například v podobě trubky, může dojít díky konstrukci ohřívače, která vyžaduje malé tloušťky stěn (až 0.025 palce) na poměrně velké délce (až 14 palců), k nerovnoměrnému vyplnění formy. Tepelně vodivý polymer s výhodou obsahuje io přídavky, jako jsou skelná vlákna a keramický prášek, oxid hlinitý (AI₂O₃) a oxid hořečnatý (MgO), které však mají za následek extrémní viskozitu taveniny polymeru. Pro správné vyplnění formy je proto nutné použít vysokých tlaků, které mohou způsobit i rozevření formy.

Kvůli snížení možnosti výskytu takového problému vynález uvažuje s použitím skeletového nosného rámu 70, který má množství otvorů a nosný povrch pro upevnění odporového topného drátu 66. V přednostním provedení skeletový nosný rám tvoří válcový člen, který má asi 6 až 8 po obvodě rozmístěných podélných per, která probíhají po celé délce rámu 70. Pera 69 pohromadě drží

0 množství prstencových podpěr 60, které jsou podélně rozmístěny po celé délce trubku připomínajícího členu. Prstencové podpěry 60 mají s výhodou tloušťku menší než asi 0.05 palce, výhodněji asi 0.025 až 0.03 palce. Pera 69 jsou s výhodou na vrcholu asi 0.125 palce široká a směrem dovnitř se zužují do zahroceného žebra 62 pro přestup tepla. Žebra 62 by měla pro dosažení maximální účinnosti přestupu tepla do ohřívané tekutiny, jako je voda, přesahovat vnitřní průměr konečného tělesa po nanesení polymerního povlaku 64 o nejméně 0.125 palce, výhodněji o 0.25 palce.

Vnější povrch per 69 přednostně obsahuje drážky, do kterých se může

0 vložit dvojitá šroubovice přednostního odporového topného drátu 66.

Ačkoliv je vynález popsán na příkladě, v němž jsou přestupní žebra 62 částí skeletového nosného rámu 70, mohou se tato žebra 62 vytvořit i jako část

4« 44

4 4

4 4 4 444

4 4 · 44 4

4 4 4 4 4

44 44· 4 4

4 4 • 4 4 4 *··*’··* us-274 · · prstencových podpěr 60 nebo dodatečně odlitého polymerního povlaku 64, popřípadě množství těchto povrchů. Obdobně se mohou přestupní žebra 62 vytvořit vně per 69 tak, aby procházela polymerním povlakem 64. Dále, vynález předvídá opatření vnitřního i vnějšího povrchu topného tělesa množstvím nepravidelných nebo geometricky tvarovaných boulí a prohlubní. O takových površích je známo, že usnadňují přestup tepla z povrchu do kapalin. Takový povrch lze vyrobit mnoha způsoby, včetně odlévání vstřikováním polymerního povlaku 64 nebo žeber 62, leptání, pískování nebo mechanického opracování topných těles podle vynálezu.

V přednostním provedení vynálezu je skeletový nosný rám 70 z termoplastové pryskyřice, která může být z jedním vysokoteplotních polymerů popsaných v tomto textu, jako je polyfenylen sulfid (PPS) s malým množstvím skelných vláken pro zvýšení strukturální pevnosti a případně keramickým práškem, jako je AI₂O₃ nebo MgO, pro zvýšené tepelné vodivosti. Alternativně se skeletový nosný rám může vyrobit jako člen z tavené keramiky včetně jednoho či více materiálů ze skupiny, která zahrnuje křemičitan hlinitý, AI₂O₃, MgO, grafit, ZrO₂, Si₃N₄, Y₂O₃, SiC, SiO₂, apod., nebo z termoplastového nebo termosetového polymeru, který je jiný než vysokoteplotní polymery navrhované pro použití v povlaku 30. Pokud se použije na skeletový nosný rám použije termoplastu, měl by tento materiál mít teplotu skelného přechodu větší, než je teplota tavení polymeru použitého na povlak 30.

Skeletový nosný rám 70 se vloží do navíjecího stroje a přednostní odporový topný drát se složí a navine na přednostní nosný povrch, tj. do po délce rozmístěných drážek 68, skeletového nosného rámu 70 ve dvojité šroubovici. Navinutý skeletový nosný rám 70 se poté vloží do vstřikovací formy, kde se na něj litím vstřikováním nanese jeden z přednostních polymerních povlaků podle vynálezu. V jednom z přednostních provedení zůstávají pro styk s tekutinou

0 obnaženy jen malé části přestupních žeber 62, zbytek skeletového nosného rámu 70 se pokryje pryskyřicí vně i uvnitř, tedy pokud má válcový tvar. Plocha obnaženého povrchu je přednostně menší než 10% plochy povrchu skeletového nosného rámu 70.

US-274 • * · ♦ ♦ 9 · flfl· i6: : :

flflfl flfl flfl flfl flfl • · » flflfl • flflflfl fl flfl ·

9 flfl ♦ fl flflfl ·♦· flflflfl fl · fl· fl· fl · * ·

Otevřené plochy v průřezu, které tvoří množství otvorů v skeletovém nosném rámu 70, dovolují snadnější plnění a větší pokrytí odporového topného drátu 66 licí pryskyřicí a zároveň snižují nebezpečí vzniku bublin a nerovnoměrností. V přednostních provedeních by měly otevřené oblasti zaujímat nejméně asi 10%, přednostně více než 20%, celkového povrchu válcové plochy skeletového nosného rámu 70 tak, aby roztavený polymer mohl snadněji proudit okolo nosného rámu 70 a odporového topného drátu 66.

Alternativní skeletový nosný rám 200 je zobrazen na obr. 10 až 12. Také alternativní skeletový nosný rám 200 má množství podélných per 268 s po délce rozmístěnými drážkami pro vložení odporového topného drátu (není zobrazen). Podélná pera jsou držena pohromadě distančními prstencovými podpěrami 266. Distanční prstencové podpěry 266 mají konstrukci kola od vozu s množstvím paprsků 264 a nábojem 262. To zaručuje větší strukturální pevnost, než má skeletový nosný rám 70, aniž by to však podstatněji znesnadňovalo operaci lití vstřikováním.

Alternativně se poiymerní povlaky podle vynálezu na popsané skeletové 2 0 nosné rámy 70 nebo 200 a jádro 10 mohou nanášet například ponořením do fluidního lože peletizovaného nebo práškového polymeru, jakým je PPS. V takovém procesu se na skeletový nosný rám navine odporový drát, do kterého se přivede proud, aby tak vzniklo teplo. Pokud se použije PPS, musí se dosáhnout před ponořením skeletového nosného rámu do fluidního lože peletizovaného nebo

5 práškového polymeru teploty nejméně 500°F. Fluidní lože umožní těsný kontakt mezi peletizovaným polymerem a ohřívaným odporovým drátem, takže se poiymerní povlak v podstatě rovnoměrně nanese na odporový topný drát a v podstatě okolo skeletového nosného rámu. Výsledné těleso může mít relativně plnou konstrukci, nebo může v průřezu zahrnovat nezanedbatelné množství

0 otevřených otvorů, ačkoliv se předpokládá, že odporový topný drát je od tekutiny hermeticky izolován. Rozumí se, že skeletový nosný rám a odporový topný drát se mohou namísto připojení drátu ke zdroji elektrického proudu ohřát předem tak, aby vzniklo dostatečné množství tepla pro natavení pelet polymeru na jejich povrchy.

♦ Φ* ·* ti ·· ··

9 9 * 9 9· 9 9 9 9

9 · 9 9 999 9 9 9 9 ΐ7: : : ·: :: : * ··;··: us-274

999 99 99 9» 99 99

Proces může zahrnovat i ohřev po vyjmutí z lože pro dosažení větší rovnoměrnosti nanesení povlaku. Další úpravy procesu nevybočují z odborníkům známých postupů stávající technologie polymerů.

Standardní parametry přednostních polymerních ohřívačů podle vynálezu pro ohřev vody je 240 V a 4500 W. Délku a průměr drátu vodivých vinutí 14 lze měnit podle potřeby pro dosažení příkonů od 1000 W do asi 6000 W, přednostně v rozmezí od 1700 W do 4500 W. Pro ohřev plynů lze použít nižších příkonů asi 100 až 1200 W. Dvojnásobných či dokonce trojnásobných příkonů lze dosáhnout io využitím vícenásobných vinutí nebo jiných odporových materiálů, která končí v různých částech délky aktivní části 10 tělesa.

Z předchozích odstavců je zřejmé, že vynález přináší zlepšená topná tělesa tekutin pro použití ve všech typech zařízení pro ohřev tekutin, jako jsou ohřívače vody a oleje. Přednostní zařízení podle vynálezu jsou z převážné části z polymerů, což snižuje náklady a podstatně zmenšuje možné galvanické jevy uvnitř nádrže tekutiny. V určitých provedeních vynálezu se polymerní ohřívače tekutiny mohou kombinovat s polymerní skladovací nádrží, takže se zcela předejde vzniku koroze vázané na přítomnost iontů kovů.

Alternativně se tyto polymerní ohřívače tekutiny mohou navrhnout jako skladovací kontejner, kdy tekutinu zároveň uchovávají a ohřívají. V takových provedeních se průtočná dutina 11 odlije tak, aby měla tvar nádrže nebo vodojemu, ohřevové vinutí 14 může být součástí stěny a po zapnutí přívodu elektrické energie může ohřívat kapalinu nebo plyn v nádrži nebo vodojemu. Ohřívače podle vynálezu se mohou použít i v ohřívačích jídla, kulmách, vysoušečích vlasů, žehličkách a rekreačních ohřívačích používaných v lázních a plovárnách.

0 Vynález je použitelný i na průtočné ohřívače, ve kterých tekutina prochází trubkou obsahující jedno nebo více vinutí či odporových materiálů podle vynálezu. Když tekutá látka prochází vnitřním průměrem takové trubky, generované odporové teplo prochází vnitřní stěnou trubky a přechází do plynu či kapaliny.

US-274

9 *9

9 9 9 9

9 9 9 9

9 9 9 9 9

9 9 9 9

99 99 ··

9 9 9 • 9 9 9

999 999

9 9

Průtočné ohřívače se používají ve vysoušečích vlasů a ohřívačích pracujících na požádání, které mají nejčastěji podobu nástěnného ohřívače vody.

Ačkoliv byla výše popsána různá provedení vynálezu, v žádném případě se 5 na ně vynález neomezuje. Odborníkům jsou jistě zřejmé mnohé úpravy uvedených provedení, které by měly být posuzovány v souvislosti s připojenými patentovými nároky.

Claims (25)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrické odporové topné těleso pro použití ve spojení s ohřevem tekutého média, vyznačující se tím, že sestává z

2 0 polymerní povlak má tepelnou vodivost nejméně asi 0.5 W/mK.

2 0 (b) odporového topného drátu, jehož pár volných konců je připojený ke svorkovým koncovým částem a který je navinutý na, a nesený nosným rámem; a (c) ne-elektricky vodivého polymerního povlaku, který obsahuje elektricky izolující, tepelně vodivou keramickou přísadu pro zlepšení tepelné vodivosti povlaku, povlak překrývá odporový drát a část nosného rámu pro hermetické

25 oddělení a elektrické odizolování odporového drátu od tekutiny, polymerní povlak má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0.5 W/mK.

2 0 ne-elektricky vodivou přísadu, která je keramickou přísadou obsahující nitrid, karbid nebo oxid.

2 0 zahrnuje zpevňovací vlákna.

2. Topné těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymerní povlak má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0.5 W/mK.

3 0 polymerní povlak zahrnuje tepelně vodivou, ne-elektricky vodivou keramickou přísadu.

·· toto • ·· · • ·· · to·· ··« • · toto to» • ·· • toto to • · ·

3 0 má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0.5 W/mK.

3 0 povlaku.

3. Topné těleso podle nároku 2, vyznačující se tím, že polymerní povlak zahrnuje termoplastovou pryskyřici, která má teplotu tání větší než 200°F.

4 4 4 4 4 944 · · · φ

2ο: : · ·; ·; ; · ··* ··· us-274 • ♦ 4 44 44 44 44 44

4. Topné těleso podle nároku 3, vyznačující se tím, že polymerní povlak

5 15. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že polymerní povlak zahrnuje termoplastovou pryskyřici, keramický prášek a sekaná skelná vlákna.

5. Topné těleso podle nároku 4, vyznačující se tím, že zpevňovací vlákna zahrnují skelná, borová, grafitová, aramidová nebo uhlíková vlákna.

25

5 (a) těla tělesa, které na sobě má nosný povrch;

(b) odporového drátu navinutého na nosný povrch a připojeného k nejméně páru svorkových koncových částí tělesa; a (c) tepelně vodivého polymerního povlaku, který překrývá odporový drát a nosný povrch pro hermetické oddělení a elektrické odizolování odporového drátu io od tekutiny, polymerní povlak zahrnuje tepelně vodivou, ne-elektricky vodivou keramickou přísadu.

6. Topné těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramická přísada zahrnuje nitrid, oxid nebo karbid.

7. Topné těleso podle nároku 6, vyznačující se tím, že polymerní povlak má plnění asi 60-200 dílů keramické přísady na sto dílů polymeru v polymerním

8. Topné těleso podle nároku 7, vyznačující se tím, že polymerní povlak je odlitý vstřikováním.

* <· «· ·· Φβ «♦

44 4 4 9 4 4 4 4 4 4

9« « · • · · ·· »9 • 9 · • » · • « · · » · « ··· ·* 99 99 99 9·

• 9 ·· • · * • 9 9·9

J US-274 • *9

9. Topné těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že odporový drát se poiymerním povlakem zcela obklopí v průběhu licí operace.

5

10. Ohřívač vody, vyznačující se tím, že se skládá z:

(a) nádrže pro uchovávání vody;

(b) topného tělesa upevněného ke stěně nádrže pro zajišťování elektrického odporového ohřevu části vody v nádrži, které se skládá z:

nosného rámu;

io odporového drátu navinutého na nosný povrch a připojeného k nejméně páru svorkových koncových částí; a tepelně vodivého polymerního povlaku, který překrývá odporový drát a převážnou část nosného rámu pro hermetické oddělení a elektrické odizolování odporového drátu od tekutiny, polymerní povlak obsahuje tepelně vodivou, ne15 elektricky vodivou keramickou přísadu pro zajištění hodnoty tepelné vodivosti nejméně asi 0.5 W/mK.

11. Ohřívač vody podle nároku 10, vyznačující se tím, že polymerní povlak zahrnuje vláknovou přísadu pro zlepšení mechanické pevnosti a tepelně vodivou,

12. Způsob výroby elektrického odporového tělesa pro ohřev tekutiny, vyznačující se tím, že se skládá z kroků:

25 (a) opatření nosného rámu;

(b) navinutí odporového topného drátu na nosný rám;

(c) nanesení tepelně vodivého, ne-elektricky vodivého polymeru na odporový topný drát a podstatnou část nosného rámu tak, aby elektricky odizoloval a hermeticky oddělil drát od tekutiny, tepelně vodivý polymerní povlak

13. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že krok nanesení (c) zahrnuje lití vstřikováním.

·» ·· ·· «♦ • · · · · ·«·· • · · · «·» · · · · ····*« * · ··· ·· ·« ·? ··

US-274

14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že tepelně vodivý polymerní povlak zahrnuje asi 60-200 dílů keramické přísady na sto dílů polymeru.

15 (b) keramického materiálu, který obklopuje a elektricky izoluje drát;

(c) kovového pouzdra, které kryje keramický materiál a elektrický odporový drát; a (d) tepelně vodivého polymerního povlaku, který překrývá kovové pouzdro pro hermetické oddělení a elektrické odizolování kovového pouzdra od tekutiny,

16. Způsob podle nároku 15, vyznačující se tím, že termoplastová pryskyřice zahrnuje PPS a hodnota tepelné vodivosti je větší než asi 0.7 W/mK.

17. Způsob podle nároku 15, vyznačující se tím, že termoplastová pryskyřice zahrnuje LCP.

18. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že krok nanesení (c) zahrnuje 15 ponoření odporového topného drátu a nosného rámu do fluidního lože.

19. Elektrické odporové topné těleso, které může procházet stěnou nádrže, pro použití ve spojení s ohřevem tekutého média, vyznačující se tím, že se skládá z:

(a) polymerního nosného rámu;

20. Topné těleso podle nároku 19, vyznačující se tím, že keramická přísada zahrnuje oxid hliníku nebo hořčíku.

21. Topné těleso podle nároku 20, vyznačující se tím, že polymerní povlak dále zahrnuje sekaná skelná vlákna.

22. Elektrické odporové topné těleso pro použití ve spojení s ohřevem tekutého média, vyznačující se tím, že se skládá z:

(a) těla tělesa, které na sobě má nosný povrch;

(b) odporového drátu navinutého na nosný povrch a připojeného k nejméně 5 páru svorkových koncových částí tělesa; a (c) tepelně vodivého, ne-elektricky vodivého polymerního povlaku, který překrývá odporový drát a podstatnou část nosného povrchu pro hermetické oddělení a elektrické odizolování odporového drátu od tekutiny, polymerní povlak zahrnuje tepelně vodivou, ne-elektricky vodivou keramickou přísadu pro dosažení io hodnoty tepelné vodivosti přes povlak nejméně asi 0.5 W/mK.

23: : :

• toto ·· «· toto • * · • · ··· • · · · • to · · to· ··

US-274

23. Elektrické odporové topné těleso pro použití ve spojení s ohřevem tekutého média, vyznačující se tím, že se skládá z:

(a) elektrického odporového drátu;

24. Elektrické odporové topné těleso pro použití ve spojení s ohřevem tekutého média, vyznačující se tím, že se skládá z:

(a) elektrického odporového drátu;

25 (b) keramického materiálu, který obklopuje a elektricky izoluje drát;

(c) kovového pouzdra, které kryje keramický materiál a elektrický odporový drát; a (d) tepelně vodivého polymerního povlaku, který překrývá kovové pouzdro pro hermetické oddělení a elektrické odizolování kovového pouzdra od tekutiny,

25. Topné těleso podle nároku 24, vyznačující se tím, že polymerní povlak má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0.5 W/mK.