CZ298229B6

CZ298229B6 - Elektrické odporové topné teleso a zpusob jeho výroby

Info

Publication number: CZ298229B6
Application number: CZ0209799A
Authority: CZ
Inventors: M. Eckman@Charles; S. Roden@James; Hochberg@Arie
Original assignee: Energy Convertors, Inc.; Rheem Manufacturing Company
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2007-08-01
Also published as: HU694B; CN1130107C; EP0945046A1; BR9713584B1; ES2280084T3; BR9713584A; TW391017B; JP2001506798A; HU225925B1; PL334022A1; AU723667B2; HK1023479A1; ID19128A; EP0945046B1; DE69737359D1; TR199901313T2; CN1237317A; CA2269600A1; HUP0000694A3; AU5703598A

Abstract

Elektrické odporové topné teleso pro ohrev tekutého média zahrnuje telo telesa, které má na sobe nosný povrch. Topné teleso dále zahrnuje vinutí (14)odporového drátu, navinuté na nosný povrch a pripojené k nejméne páru svorkových koncových cástí (12, 16) telesa. Pres vinutí (14) a nosný povrch je usporádán tepelne vodivý polymerní povlak (30, 64)pro hermetické oddelení a elektrické odizolování vinutí (14) od tekutého média, pricemz nosný povrch je cástí vnitrního výlisku (300) z vysokoteplotního polymeru. Polymerní povlak (30, 64) zahrnuje tepelne vodivou, elektricky nevodivou keramickou prísadu a je odlit tak, ze tvorí termoplastický spojs nosným povrchem vnitrního výlisku (300). Zpusobvýroby elektrického odporového topného telesa zahrnuje kroky: navinutí odporového topného drátu na nosný rám, nanesení tepelne vodivého, elektricky nevodivého polymerního povlaku na odporový topný drát a podstatnou cást nosného rámu, pricemz tepelnevodivý polymerní povlak zahrnuje tepelne vodivou a elektricky nevodivou keramickou prísadu a má hodnotu tepelné vodivosti nejméne asi 0.5 W/mK a tvorí termoplastický spoj s nosným rámem z vysokoteplotního polymeru.

Description

Elektrické odporové topné těleso a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález sc tyká elektrického odporového topného tělesa pro ohřev tekutého média, zahrnujícího tělo tělesa, které má na sobě nosný povrch; vinutí odporového drátu, navinuté na nosný povrch a připojené k nejméně páru svorkových koncových částí tělesa. Vynález se dále týká způsobu výroby elektrického odporového topného tělesa.

1(1

Dosavadní stav těchniky l ato přihláška z části navazuje na US patentovou přihlášku 08/365,920 podanou 29. prosince 15 1994 pod názvem „Ponorné topné těleso s elektrickým odporovým topným materiálem a na něm umístěnou polymeruí vrstvou, která se stala patentem US 5 586 214. Tato přihláška z části navazuje také na US patentovou přihlášku sériového 08/755,836 podanou 26. listopadu 1996 pod názvem „Zlepšené polymeruí ponorné topné těleso se skeletovou nosnou konstrukcí a možnými žebry pro přestup tepla.

Elektrická odporová topná tělesa, která sc používají v souvislosti s ohřívači vody, se tradičně vyrábějí z kovových a keramických složek. Obvyklá konstrukce takového topného tělesa zahrnuje pár svorkových kolíků připájených ke koncům Ni-Cr smyčky, která jc axiálně umístěna do trubkového kovového pouzdra tvaru U. Odporová smyčka je od kovového pouzdra odizolována 25 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, kc kterým může dojít mezi kovovým pouzdrem a případným obnaženým kovovým povrchem nádrže, mohou způso30 bovat korozi anodických kovových složek systému. Na kovovém pouzdře, které je obvykle z mědi nebo jejích slitin, sc z vody mohou usazovat vápenaté sloučeniny, které mohou vést až k předčasnému selhání topného tělesa. Navíc používání mosazných sroubení a měděných trubek jc velmi nákladné, neboť cena mědi se za poslední roky značné zvýšila.

Jako alternativu ke kovovým tělesům navrhl Cunningham v patentu US 3 943 328 elektrické topné těleso s krytem plastovým. V patentu popsaném zařízení sc použije obvyklého odporového drátu a práškového oxidu horečnatého ve spojení s plastovým krytem. Protože plastový kry t je nevodivý, nemůže s dalšími kovovými díly topné jednotky, které sc s vodou v nádrži stýkají, vzniknout galvanický článek, a rovněž vápenaté sloučeniny se na povrchu topného tělesa nemo40 hou usazovat. Bohužel, z různých důvodů nelze u těchto dosud známých, plastem pokrytých topných těles po dobu normální životnosti dosáhnout vysokých příkonů a proto se tato tělesa nějak zvlášť nerozšířila.

DE 38 36 387 popisuje PTFE (polytetrafluor ctylcn) topné zařízení deskového tvaru pro pono45 ření do agresivní tekutiny, které zahrnuje topné těleso ve tvaru ploché desky a topný element, zahrnující odpor.

FR 2,517,918 popisuje topné těleso, mající elektrický element vc formě odporových vláken, uložených v žebrované kovové konstrukci pro přenos tepla ve formě slcatitovcho jádra s elektricko kým elementem vytvořeným z odporového drátu, který je dále uzavřen v nastříknutem dielektrickem pouzdru. Konstrukce je pak odlita s povrchovou vrstvou žáruvzdorného cementu, neboje pokryta ochranným kovovým pláštěm.

Podstata vynálezu

Nedostatky stavu techniky odstraňuje elektrické odporové topné těleso pro ohřev tekutého 5 media, zahrnující tělo tělesa, které má na sobě nosný povrch; vinutí odporového drátu, navinuté na nosný povrch a připojené k nejméně páru svorkových koncových částí tělesa, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že přes vinutí a nosný povrch je uspořádán tepelně vodivý pólyměrní povlak pro hermetické oddělení a elektrické odizolování vinutí od tekutého média, přičemž nosný povrch je částí vnitřního výlisku z vysokoteplotního polymeru, a póly měrní povlak to zahrnuje tepelně vodivou, elektricky nevodivou keramickou přísadu a je odlit tak. že tvoří termoplastický spoj s nosným povrchem vnitřního výlisku.

Nedostatky stavu techniky též odstraňuje způsob výroby elektrického odporového topného tělesa pro ohřev tekutiny, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom. že zahrnuje kroky: navinutí 15 odporového topného drátu na nosný rám, nanesení tepelně vodivého, elektricky nevodivého polymerního povlaku na odporový topný drát a podstatnou část nosného rámu pro elektrické odizolování a hermetické oddělení drátu od tekutiny, přičemž tepelně vodivý polymemí povlak zahrnuje tepelně vodivou a elektricky nevodivou keramickou přísadu a má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0,5 W/mK a tvoří termoplastický spoj s nosným rámem z vysokoteplotního polymeru.

Vynález přináší elektrická odporová topná tělesa pro použití vc 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 polymemí povlak, který tvoří 25 hermetické těsnění okolo odporového drátu. Tepelně vodivý polymemí 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 30 1200 W. Zlepšené tepelně vodivé polymemí 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 polymemího povlaku. Přednostní plnění polymemího povlaku se pohybují v rozsahu asi 60 až 200 dílů keramického materiálu na 100 dílů pryskyřice. Spodní mez je dána velikostí tepelné 35 vodivosti, která je nezbytná pro ohřev tekutiny, horní mez sc určí lak. aby bylo možné tato tělesa tvářet standardními postupy, jako je lití vstřikováním. Mechanickou pevnost poly memího povlaku lze zvýšit přídavkem vláken, povlak potom v průběhu cyklického tepelného namáhání, k jakému dochází v obvyklých aplikacích v ohřívačích vody, lépe čelí vzniku trhlin a deformací.

V dalším provedení vynálezu se pro snížení galvanické koroze ohřívačů vody zlepšeným tepelně vodivým pólymerním 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 množství dalších informací, které se vynálezu přímo týkají. Na výkresech:

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

Na obr. 2 je levý bokorys polymemího ohřívače tekutiny dle obr. I;

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

Na obr. 4 je nárys, částečně v řezu, přednostního vnitřního výlisku polymemího 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 tekutiny podle vynálezu:

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

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

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

Na obr. 11 jc bokory s skeletového nosného rámu dle obr. 10;

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

Na obr. 13 jc podélný řez zlepšeného kovem povlečeného topného tělesa, které jc vybaveno tepelně vodivým polymer ním povlakem podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Vynález přináší elektrická odporová topná tělesa a ohřívače vody, které tato tělesa obsahují. Tato zařízení jsou užitečná tím, žc minimalizují galvanickou korozi v ohřívačích vody a olejů, omezují usazování vápenatých sloučenin a řeší problémy sc 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, sít oviny, pásky nebo vlny. V přednostním ohřívači _l_00 se odporové teplo generuje ve vinutí 14. .jehož pár volných konců je připojen k páru svorkových části 12 a ]_6. Vinutí 14 je od tekutiny hermeticky a elektricky izolováno integrální vrstvou vysokoteplotního polymemího materiálu. Jinak řečeno, aktivní odporový topný materiál je před zkratováním v tekutině chráněn polymemím povlakem. Odporový materiál podle vynálezu má dostatečný povrch, délku a tloušťku k tomu, aby ohřál vodu na teplotu nejméně 48 °C (120 T), bez roztavení polymerní vrstvy. Jak bude uvedeno dále, pečlivým výběrem odpovídajících materiálů a jejich rozměrů se toho dá dosáhnout,

Jak jc zřejmé zejména z obr. 3. přednostní polymerní ohřívač 100 tekutiny se obecně skládá ze tří integrálních Částí: svorkové sestavy 200, která jc 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.

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 32. Na přírubu 32 navazuje nákružková část s množstvím závitů 22. Závity 22 jsou navrženy takové, aby

- j CZ 298229 B6 lícovaly s vnitřním průměrem upevňovacího otvoru vc stěně nádrže, například nádrže 13 ohřívače vody. Vnitřní strana příruby 32 se pro zajištění dokonalejšího utěsnění může osadit Okroužkem (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 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 ]4,

Přednostní vnitřní výlisek 300 se může vyrobit postupy odlévání vstřikováním. Průtočná dutina 11 se s výhodou vytvoří pomocí 31.75 cm (12,5 palec) dlouhého, hydraulicky ovládaného středového jádra. takže vznikne těleso s délkou asi 33.02 až 45.72 cm (13 až 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 tělesa je menší než 1,27 cm (0.5 palce), výhodně méně než 0.254 cm (0,1 palce), s konečným cílem v rozsahu od OJ 016 do OJ 524 cm (od 0,04 do 0.06 palce), přičemž tento 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 1 1, vodičové dutiny 31 a 35 a průtočné otvory 57 se vytvoří v rovněž v průběhů lití s použitím radiálních a axiálních jader.

Nyní následuje, s odkazy na obr. 5, podrobný popis přednostního provedení svorkové sestavy 200. Základem svorkové sestavy 200 je polymeruí zátka 28, do které sc vloží pár svorek 23 a 24. Jak je ukázáno na obr, 2, svorky 23 a 24 mohou obsahovat závitem opatřeno 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 ]_8. 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 nahradit termostatem, termočlánkem nebo jednoduše zemnicím páskem, který se připojí k vnějšímu jističi nebo podobnému zařízení. Věří se. že zemnicí pásek (není zobrazen) se muže umístit do blízkosti jednoho ze svorkových částí 16 a 12 tak, aby se v případě tavení polymeru vinutí zkratovalo.

V přednostním provedení jc termistorem 25 mžikový tcrmostat/tepelná ochrana, jakým je Model W Scrics společnosti Portage Elcctric. 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 28 jc s výhodou samostatný vstřikováním odlitý póly měrní díl.

Po vyrobení svorkové sestavy 200 a vnitřního výlisku 300 se s výhodou obč tyto části sestaví ještě předtím, než se do vodicích drážek 38 aktivní části IQ tělesa navine vinutí J_4. Péče se musí věnovat zejména zajištění propojení okruhu ve svorkových částí 12 a 16. Obvykle se toho dosáhne připájením nebo bodovým přivařením svorkových částí 12 a 13 vinutí kc svorkovému vodiči 20 a sbčračovému 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 ]_L

-4 CZ 298229 B6

Na obr. 6 a 7 je zobrazeno provedení jednoduchého a dvojného vinutí odporového drátu polytnerního odporového topného tělesa podle vynálezu. V provedení s jednoduchým vinutím odporového drátu dle obr. 6 se do vodicích drážek 38 vnitrního výlisku 300 navine první pár drátu se závity 42 a 43 tak, aby vnikla šroubovice. V přednostním provedeni se odporový drát zachytí za 5 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 jc první pár závitů 42 a 43 prvního odporového drátu oddělen od následného páru závitů 46 a 47 stejného ií) odporového drátu zakončením 54 závitů sekundárního vinutí, které jc zachycené za kolík 55.

Druhý pár závitu 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 jc sestava dvojného vinutí zobrazena spáry závitů jednotlivých odporových drátů, ktcrc sc pravidelně střídají, rozumí se, že 15 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 bud' vnitřním výliskem, nebo jiným izolačním 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 polymeru, který sc významně nedeformuje ani netaví při teplotě tekutiny okolo 48,9 až 82,2°C (120 až 180 °F) a teplotě vinutí okolo 232,2 až 343.3°C (450 až 650°F). Nejvýhodnější sc jeví použití lennoplastových polymerů s teplotou taveni vyšší než 93,3°C (200°F), přednostně vyšší, než je teplota vinutí, ačkoliv lze 25 použít i určité keramické materiály a termosetove polymery. Přednostní lermoplastové materiály mohou zahrnovat: fluorované uhlovodíky, polyaryl-sulfony, polyamidy. bismaleimidy. polypatalamidy. polyetereterketony, polyfenylen sulfidy. polyctcr sulíbiiy. 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 poly30 mery kapalných krystalů (LCP - Liquid Crystal Polymcrs).

V přednostním provedení vynálezu sc 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 až 60 hmotnostních procent vláken. Vlákna přidaná do termoplastů a termosetů dramaticky zvyšuji jejich pevnost. Například, krátká skelná vlákna zvyšují mez pevnosti konstrukčních plastů při plnění asi 30% přibližně dvakrát. Přednostní vlákna zahrnují sekaná skelná vlákna, jako jsou E-skelná vlákna a S-skelná vlákna, borová 4o vlákna, aramidy, jako jc Kcvlar 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 45 a vlastností uvolňováni z formy. Tepelnou vodivost zlepší přídavek oxidů kovu, nitridů, uhličitanů nebo karbidů (dále jen keramické přísady), případně nízká koncentrace uhlíku nebo grafitu. Přísady mohou mít formu prášku, šupin nebo vláken. Dobrý mi příklady jsou oxidy, karbidy, uhličitany a nitridy cínu, zinku, mědi, molybdenu, vápníku, titanu, zirkonu, boru, křemíku, ytria, hliníku nebo hořčíku, případně slídy, skelných keramickým materiálů nebo taveného oxidu křemiči50 tcho.

Plnění polymerní matrice těmito tepelně vodivými materiály je s výhodou v 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

- 5 CZ 298229 B6 a práškové šupiny, případně kovy jako nerezavějící ocel, hliník, mčd' nebo mosaz, či vysoké koncentrace uhlíku nebo grafitu, ovšem za předpokladu, že se následně povlečou elektricky nevodivým polymerním povlakem. Pokud se takový elektricky vodivý materiál použije, je nutné věnovat péči elektrické izolaci jádra, abv nemohlo dojít ke zkratu mezi vinutími.

š

Na druhé strano jc však rovněž důležité, aby se výše popsaných přísad nepoužilo nadměrné množství, neboť jc známo, že nadbytek vláken nebo přídavku kovu Či oxidu kovu znesnadňuje licí operace. Topné těleso podle vynálezu sc může vyrobit z libovolné kombinace uvedených materiálů. V závislosti na konečné aplikaci topného tělesa se na výrobu různých částí vynálezu 10 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 příko15 nů. Mimo zpevňujících a tepelně vodivých přísad mohou plastové kompozice podle vynálezu obsahovat také přísady pro usnadnění uvolnění z formy, zlepšení rázových vlastností a tepelněox i dač ní stabilizátory. které nejenže zlepšují vlastnosti plastových dílů a prodlužují životnost topného tělesa, ale také usnadňují proces lití.

Kompozice uvedené dále v tabulce 1 byly připraveny smísením polyfenylen sulfidu s uvedenými množstvími oxidu hlinitého, oxidu horečnatého a sekaných skelných vláken způsobem, který je odborníkům dobře znám. Pelety těchto materiálů byly vstřikováním odlévány do ASTM testovacích vzorků, které se dále testovaly dle ASTM postupů. Zjišťovaly sc mez pevnosti, pevnost v ohybu, ohybový modul a vrubová houževnatost. Výsledky jsou uvedeny v tabulce I.

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 mel největší tepelnou vodivost, 30 vstřikováním odléval na navinuté jádro, aby tak vzniklo topné těleso podle vynálezu, docházelo v něm při tloušťkách stěny pod 0,0762 cm (0,030 palce) k trhlinám a prasklinám. Ovšem tloušťky stěny větší než 0,0762 cm (0.030 palce) umožni i takto vysoká plněni. I o 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 35 změnami v konstrukci tělesa a složení pryskyřice.

Ideálně by mez pevnosti polymerního povlaku měla být nejméně 492 kg/cm“ (7000 psi), přednostně v rozmezí 527 až 703 kg/cm (7500 až 10 000 psi), ovsem za předpokladu uspokojivé hodnoty tepelné vodivosti. Ohybový modul při provozních teplotách by měl být nejméně asi io 35.150 kg/cm² (500 Kpsi), přednostně větší než 703 kg/cm² (1000 Kpsi).

Nakonec, ze všech materiálů v tabulce 1 se pro použití v ohřívačích vody nej výhodnějším i jeví materiály, které odpovídají příkladům 6 a 7, neboť mají nej lepší poměr mezi pevnostními a tepelnými vlastnostmi. Samozřejmě, žc keramické plnění asi 60-200 PPH slouží k maximálnímu 45 možnému zvýšeni tepelné vodivosti, ovšem bez narušení licí operace. Tepelná vodivost výsledného povlaku by měla být nej méně 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 50 jistě zřejmé nespočetné kombinace různých vodivých plniv a 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 skelných vláken, případně, pokud jde o cenová hlediska. PPS pryskyřici s přísadami AhO? nebo MgO a sekaných skelných vláken.

-6CZ 298229 B6

Tabulka 1

QO

Ό ři^

0_ cd

co	CM CO CO CD O	v^-θ
o		xj CD	o“
CN	1 CO	io r-

ΓΤΟ >k~

Q_

LO
				CN
			CD	O
CD		xj	xT	CO
OJ	lO	CN	T—	CM
	1 CN	Γ-	x—	x-

co

Ό _ra

CL

	<D	O CN	O Γιο CO	rÍNI o	lO
CD		LO	xT	CO		d
CD	i io	CD		T-	o

Ό

Q.

o

1 Γ-	, r—	CM X™ Φ	r— xj	CO xr CM x—	CD CN O	o X
ΓΟ	! χΓ	v—			d	o

xr o _kí >L·□-

			Γ-
			ΓΟ
		v^-	co
	Γ—	v*	ID
CN T-	CD	T—	OJ
00 xj	CO	T—	T~

CD d

ťO

Ό jz ϊΐΣ CL

	LO
			Γ-	Ό
		m	ΙΟ	CD
Μ	xT	τ—	co
CO	CO	'JO	x—	CD

CM o o

r— co o

CN

Ό

CL

Tj	CD	O CO	o XT CN CD	CN CN O	CD CO
χτ !	CD	T™	in	d	o

Porovnávací

Ό _xí

CL

LO	00 00	O r-co	cd co Xj CD	co LO O	XJ CN
CN		t—	Γ—	o	Q

E tf>

o >

TJ o

E ® '—-* I—

Všechna množství přísad jsou udána v dílech na sto dílů polyfenylen sulfidové matrice (PPH - parts per hundred parts)

- 7 CZ 298229 Β6

Výše uvedenými polymemími materiály podle vynálezu lze provléci i kovová pouzdra konvenčních elektrických odporových topných těles. Předejde sc lim mnoha problémům, o kterých je známo, že jimi taková topná tělesa trpí. Pouzdra se obvykle vyrábí z mědi a nerezavějící oceli. Navíc, vynález předvídá používáni korozi neodolných materiálů, jako je například uhlíková ocel. Pro korozi odolné materiály pouzdra může byl povlak ve srovnání s materiály korozi neodolnými relativně tenký. Pro korodující materiály musí hýl povlak nejméně asi 10 mil (I mil = O.()O25cm) a z materiálu s vysokou tepelnou vodivostí.

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 tepelné 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 sc zde popsanými přísadami, dovoluje topným tělesům dosahovat vysokých příkonů potřebných k účinnému ohřevu vody na teploty vyšší než 120° bez tavení povlaku.

Polymemí povlak se na kovové pouzdro, které může být například z mědi, mosazi, nerezavějící oceli či uhlíkové oceli, nanášet bud' litím vstřikováním nebo ponořením kovového pouzdra do íluidního lože peletizovaného nebo práškového polymeru, jakým je například PPS, PEEK, LCD, a pod.

Odporovým materiálem, který v ohřívačích tekutiny podle vynálezu vede elektrický proud a generuje teplo, je s výhodou odporový kov, který jc elektricky vodivý a teplu odolný. Oblíbeným kovem jc Ni-Cr slitina, vhodné jsou však i některé slitiny médi, oceli a nerezavějící oceli. Předvídáme dále, žc za předpokladu, že budou schopny generovat množství tepla dostatečné k ohřevu tekutin, jako je voda, bude možné v budoucnu kovové odporové materiály nahradil vodivými polymery s obsahem grafitových, uhlíkových nebo kovových prášků nebo vláken. Zbývající elektrické vodiče přednostního polymerního ohřívače 100 tekutiny se mohou vyrobit také z těchto vodivých materiálů.

Alternativou k přednostnímu vnitrnímu výlisku 300 vynálezu je skeletový nosný rám 70 zobrazený na obr. 8 a 9. Ukázalo se, žc 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, kolem 0.0635 cm (0.025 palce) na poměrně velké délce až 35.56 cm (14 palců), k nerovnoměrnému vyplnění formy. Tepelně vodivý polymer s výhodou obsahuje přídavky, jako jsou skelná vlákna a keramický prášek, oxid hlinitý (ALCL) a oxid horečnatý (MgO), které však mají za následek extremní 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 množství prstencových podpěr 60. které jsou podélně rozmístěny po celé délce trubku připomínajícího členu. Prstencové podpěry 60 mají s výhodou tloušťku menší než asi 0,127 cm (0,05 palce), výhodněji asi 0,0635 až 0,0762 cm (0.025 až 0.03 palce). Pera 69 jsou s výhodou na vrcholu asi 0,3175 cm (0.125 palec) široká a směrem dovnitř se zužují do zahroccného žebra 62 pro přestup tepla. Zebra 62 by měla pro dosaženi maximální účinnosti přestupu tepla do ohřívané tekutiny, jako je voda, přesahovat vnitřní průměr konečného tělesa po nanesení polymerního povlaku 64 o nejméně 0,3175 cm (0,125 palce), výhodněji o 0,635 cm (0.25 palce).

Vnější povrch per 69 přednostně obsahuje drážky, do kterých se může 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 prstencových podpěr 6<) nebo dodatečně odlitého polymerního povlaku 64. popřípadě množství těchto povrchu. Obdobné 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 bouli a prohlubní. O takových površích jc 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 AKT 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. AFO₂„ MgO. grafit. ZrO₂. Si,N₄, Y₂O₂„ SiC. SiO₂, apod., nebo z tcrmoplastovcho nebo tcrmosetovcho polymeru, který je jiný než „vysokoteplotní polymery navrhované pro použiti v povlaku 30. Pokud se použije na skeletový nosný rám použije termoplastu, měl by tento materiál mít teplotu skelného přechodu větší, než jc 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 polymemích povlaků podle vynálezu. V jednom z přednostních provedení zůstávají pro styk s tekutinou obnaženy jen male části přestupních žeber 62, zbytek skeletového nosného rámu 70 se pokryje pryskyřicí vně i uvnitř, tedy poklid má válcový tvar. Plocha obnaženého povrchu je přednostně menší než 10 % plochy povrchu skeletového nosného rámu 70.

Otevřené plochy v průřezu, které tvoří množství otvorů v skeletovém nosném rámu 70, dovolují snadnější plnění a větší pokryli odporového topného drátu 66 licí pryskyřici 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 jc 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 paprsku 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 polymeruí povlaky podle vynálezu na popsané skeletové nosné rámy 70 nebo 200 a jádro 10 mohou nanášel 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 práškového polymeru teploty nejméně 260 '1' (50()°F). Fluidní lože umožní těsný kontakt mezi pclctizováným polymerem a ohřívaným odporovým drátem, takže sc polymeruí povlak v podstatě rov- 9 C7. 298229 B6 noměrné nanese na odporový topný drát a v podstatě okolo skeletového nosného rámu. Výsledné těleso může mít relativně plnou konstrukci, nebo muže v průřezu zahrnovat nezanedbatelné množství otevřených otvorů, ačkoliv sc předpokládá, žc odporový topný drát je od tekutiny hermeticky izolován. Rozumí sc. žc skeletový nosný rám a odporový topný drát se mohou namísto 5 připojení drátu ke zdroji elektrického proudu ohřát předeni tak, aby vzniklo dostatečné množství tepla pro natavení pelet polymeru na jejich povrchy. Proces může zahrnovat i ohřev po vy jmutí z lože pro dosažení větší rovnoměrnosti nanesení povlaku. Další úpravy procesu nevybočuji z odborníkům známých postupů stávající technologie polymerů.

io 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 dosaženi příkonů od 1000 do asi 6000 W, přednostně v rozmezí od 1700 do 4500 W. Pro ohřev plynů lze použít nižších příkonů asi 100 až 1200 W. Dvojnásobných či dokonce trojnásobných příkonů lze dosáhnout využitím vícenásobných vinutí nebo jiných odporových materiálů, která konči v růz15 ných částech délky aktivní části 10 tělesa.

Z předchozích odstavců je zřejmé, žc vy nález 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 20 možné galvanické jevy uvnitř nádrže tekutiny. V určitých provedeních vynálezu sc póly měrní ohřívače tekutiny mohou kombinovat s póly měrní skladovací nádrží, takže sc zcela předejde vzniku koroze vázané na přítomnost iontů kovů.

Alternativně se tyto polymerní ohřívače tekutiny mohou navrhnout jako skladovací kontejner, 25 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 sc mohou použít i v ohřívačích jídla, kulmách, vysoušečích vlasů, žehličkách a rekreačních ohřívačích používaných v lázních a plovárnách.

3(1

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.

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 na ně vynález neo40 mezuje. Odborníkům jsou jistě zřejmé mnohé úpravy uvedených provedení, které by měly být posuzovány v souvislosti s připojenými patentovými nároky.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrické odporové topné těleso pro ohřev tekutého media, zahrnující tělo tělesa, které má na sobě nosný povrch;

vinutí (14) odporového drátu, navinuté na nosný povrch a připojené k nejméně páru svorkových koncových částí (12, 16) tělesa, ίο vyznačující se t í m . žc přes vinutí (14) a nosný povrch je uspořádán tepelně vodivý polymerní povlak (30. 64) pro hermetické oddělení a elektrické odizolování vinutí (14) od tekutého média, přičemž nosný povrch je částí vnitřního vý lisku (300) z vysokoteplotního polymeru, a polymerní povlak (30, 64) zahrnuje tepelně vodivou, elektricky nevodivou keramickou přísadu a

15 je odlít tak, že tvoří termoplastický spoj s nosným povrchem vnitřního výlisku (300).
2. Topné těleso podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m , že polymerní povlak (30. 64) má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0,5 W/mK.

20
3. Topné těleso podle nároku 2. v y z n a č u j í c í sc t í m . žc polymerní povlak (30, 64) zahrnuje tcrmoplastovou pryskyřici, která má teplotu tání větší než 93.3 °C.
4. Topné těleso podle nároku 3, v y z n a č uj í c í se t í m , žc polymerní povlak (30, 64) zahrnuje zpevňovací vlákna.
5. Topné těleso podle nároku 4, vyznačující se tím, že zpevňovací vlákna zahrnují skelná, borová, grafitová, aramidová nebo uhlíková vlákna.
6. Topné těleso podle nároku 1, vy z n ač u j í c í se t í m . že keramická přísada zahrnuje 30 nitrid, oxid nebo karbid.
7. Topné těleso podle nároku 6. vy zn ač u j í c í se t í m . že polymerní povlak (30, 64) má plnění asi 60 až 200 dílů keramické přísady na sto dílů polymeru v polymerním povlaku (30. 64).
8. Topné těleso podle nároku 7. v y z n a č u j íc í se ί í m . žc polymerní povlak (30, 64) je odlitý vstřikováním.
9. Topné těleso podle nároku 1,vyznačující se tím, že vinutí (14) je plně obklopeno 40 polymerním povlakem (30, 64) v průběhu licí operace.
10. Topné těleso podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se t í m , že je připojeno kc stěně nádrže (13) ohřívače vody pro elektrický odporový ohřev části vody v nádrži (13), přičemž tělo tělesa má nosný rám,

45 na nosný povrch nosného rámuje navinuto vinutí (14) odporového drátu a tepelně vodivý polymerního povlak (30. 64) jc uspořádán přes vinutí (14) odporového drátu a přes větší část nosného rámu pro hermetické oddělení a elektrické odizolování vinutí (14) odporového drátu od tekutého media, přičemž tepelně vodivá a elektricky nevodivá přísada polymerního povlaku (30, 64) má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0,5 W/mK.
11. Způsob výroby elektrického odporového topného tělesa pro ohřev tekutiny, vyznačující se t í m , že zahrnuje kroky:

navinutí odporového topného drátu na nosný ráin.

nanesení tepelně vodivého, elektricky nevodivého polymeruího povlaku na odporový topný drát a podstatnou část nosného rámu pro elektrické odizolování a hermetické oddělení drátu od tekutiny, přičemž tepelně vodivý polymerní povlak zahrnuje tepelně vodivou a elektricky nevodivou keramickou přísadu a má hodnotu tepelné vodivosti nejméně asi 0,5 W/mK a tvoří termoplastický spoj s nosným rámem z vysokoteplotního polymeru.
12. Způsob podle nároku 11. vyznačující se t í m , že nanášení polymeru ího povlaku se provede vstřikovacím litím.
13. Způsob podle nároku 12, v y z n a č u j í c í se t í m , žc polymerní povlak zahrnuje asi 60 až 200 dílů keramické přísady na sto dílů polymeru v polymeru ím povlaku.
14. Způsob podle nároku 12, vyznačující sc tím, že polymerní povlak zahrnuje termoplastovou pryskyřici, keramický prášek a sekaná skelná vlákna.
15. Způsob podle nároku 14. v y l n ač u j í c í se t í m . že termoplastová pryskyřice zahrnuje polyfenylensulfid a hodnota tepelné vodivosti je větší než asi 0,7 W/mK.
16. Způsob podle nároku 14, vyznačující se t í m , že termoplastová pryskyřice zahrnuje polymer na bázi tekutých krystalů.
17. Způsob podle nároku 11. vyznačující se tím. že nanášení polymerního povlaku zahrnuje ponoření odporového topného drátu a nosného rámu do fluiduího lože.