DE10028152A1 - Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen eines Mediums - Google Patents

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen eines Mediums vorgesehen, bei dem ein Heizelement vorgesehen ist, das an einen Bimetallschalter mit Selbsthaltung gekoppelt ist. Der Bimetallschalter mit Selbsthaltung ist in ein Schutzrohr eingebracht, das sich in einen Behälter erstreckt und das an das elektrische Heizelement angekoppelt ist. Das elektrische Heizelement ist an das Schutzrohr angekoppelt. Die Erfindung ermöglicht eine große Flexibilität in der Ausbildungsform des elektrischen Heizelementes und in der Anordnung des Bimetallschalters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vorrichtungen zum elektrischen Erwärmen eines Mediums werden beispielsweise bei Heißwasserspeichern eingesetzt. Diese Heizvorrichtungen werden mit Strom betrieben, wobei eine Beschädigung der Heizvorrichtung auftreten kann, wenn kein Wasser in den Wasserspeicher eingefüllt ist und deshalb ein elektrisches Heizelement überhitzt wird. Deshalb ist es notwendig, eine Sicherung vorzusehen, die ein Überhitzen des Heizele­ mentes verhindert.

Aus DE 295 17 784 U1 ist eine Heizungsanordnung mit einer wiedereinstellbaren Tem­ peratursicherung für einen Heizwasserspeicher bekannt. Die Temperatursicherung be­ steht in diesem Fall aus einem Bimetallschalter, der bei einer vorgegebenen Temperatur öffnet. Der Schalter ist in Serie mit einem beheizbaren Rohrheizkörper geschaltet, sodaß der Rohrheizkörper bei geöffnetem Schalter nicht mehr mit Strom versorgt wird. Zugleich ist ein Heizwiderstand parallel zum Bimetallschalter vorgesehen, der bei geöffnetem Schalter so stark erhitzt wird, daß der geöffnete Schalter über der vorgegebenen Tempe­ ratur gehalten wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Schalter nach dem Abküh­ len des Rohrheizkörpers wieder schließt. Erst nach einer Unterbrechung der Stromver­ sorgung kühlt der Heizwiderstand ab und der Bimetallschalter kühlt sich ebenfalls ab, so­ daß der Bimetallschalter wieder geschlossen ist.

Der Bimetallschalter ist in der bekannten Ausführungsform außerhalb des Warmwasser­ behälters angeordnet und über einen Wärmeleitkörper thermisch an den Rohrheizkörper angekoppelt. Die Ankopplung findet im Randbereich des Behälters statt und der Wärme­ leitkörper ist über eine vorgegebene Strecke durch den mit Medium gefüllten Behälter ge­ führt. Die thermische Ankopplung erfordert deshalb eine besondere Ausführungsform des Rohrheizkörpers im Randbereich oder einen relativ langen Wärmeleitkörper.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen ei­ nes Mediums bereitzustellen, mit der eine größere Flexibilität in der Ausbildungsform des Heizelementes möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Einbrin­ gung des elektrischen Schalters in ein geschlossenes Schutzrohr, das an das elektrische Heizelement angeschlossen ist, bietet den Vorteil, daß die thermische Ankopplung zwi­ schen dem Schalter und dem Heizelement flexibel gestaltet werden kann, ohne die Funk­ tionsfähigkeit des Schalters zu beeinträchtigen.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ge­ kennzeichnet. Eine besonders effiziente und kompakte Ausführungsform wird dadurch er­ reicht, daß das erste Heizelement mindestens teilweise als Spirale ausgebildet ist und das Schutzrohr innerhalb der Spirale des ersten Heizelementes angeordnet ist. Auf diese Weise ist in einem kleinen Raum ein relativ langes erstes Heizelement untergebracht und zudem das Schutzrohr angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Heizelement ein gerades Teilstück auf, das an das Schutzrohr thermisch angekoppelt ist. Auf diese Weise wird eine relativ lange Linienberührung zwischen dem Heizelement und dem Schutzrohr ermöglicht, so­ daß eine besonders gute thermische Ankopplung erreicht wird.

Eine schnelle Übertragung der Temperatur des ersten Heizelementes auf den Schalter wird dadurch erreicht, daß der Schalter im Bereich des geraden Teilstückes im Schutz­ rohr angeordnet ist.

Eine verbesserte thermische Ankopplung wird durch die Verwendung einer thermischen Leitschicht zwischen dem Schutzrohr und dem ersten Heizelement ermöglicht.

Eine besonders kompakte und effiziente Bauform wird dadurch erreicht, daß das erste Heizelement in einem ersten Teilstück als Spirale ausgeführt ist, das in ein zweites, U-förmiges Teilstück übergeht, das innerhalb der Spirale in einem dritten geraden Teilstück in Richtung auf den Anfang des ersten Teilstücks zurückgeführt wird.

Eine weitere Verbesserung der Vorrichtung wird dadurch erreicht, daß ein zweites ge­ schlossenes Schutzrohr vorgesehen ist, in dem ein Temperaturregler angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Temperaturregler weit entfernt vom Randbereich des Behälters an­ geordnet werden und damit die Temperatur des Mediums präzise erfassen.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in einem topfförmigen Flansch, von dessen Mittelfläche das erste Heizelement und das erste Schutzrohr ausgehen. Die Topfform bie­ tet den Vorteil, daß Anschlüsse des ersten elektrischen Heizelementes und des Schalters innerhalb der Topfform angeordnet werden können und die Außenfläche des Behälters plan abschließt. Auf diese Weise wird eine kompakte Außenform des Behälters erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltungsanordnung zum Erwärmen eines Mediums und

Fig. 2 eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Mediums.

Fig. 1 zeigt eine Parallelschaltung eines als Temperaturbegrenzer ausgebildeten elektrischen Schalters 1 und eines zweiten Heizelementes 2 in dessen bedarfs­ weiser Beheizung. Die Parallelschaltung ist zwischen eine elektrisch leitenden Phase L und ein erstes Heizelement 3 zur Beheizung beispielsweise von Wasser geschaltet. Das erste Heizelement 3 ist wiederum über einen Temperaturregler 5 mit einer elektrischen neutralen Phase N verbunden. Parallel zum ersten Heizele­ ment 3 ist eine Glimmlampe 4 angeordnet.

Der elektrische Schalter 1 ist in der Weise ausgebildet, daß er bis zu einer vorgegebenen Temperatur, einer sogenannten Ausschalttemperatur, die Verbindung zwischen der Pha­ se L und dem ersten Heizelement 3 geschlossen hält. Wird der Schalter 1 über die Aus­ schalttemperatur erwärmt, so wird der Schalter 1 geöffnet und die Phase L ist vom ersten Heizelement 3 abgekoppelt. Der elektrische Schalter 1 ist beispielsweise in Form eines Bimetallschalters ausgebildet.

Parallel zum Schalter 1 ist ein zweites elektrisches Heizelement 2 angeordnet. Das zweite elektrische Heizelement 2 ist in der Weise ausgebildet, daß es bei geschlossenem Schal­ ter 1 keine Wärme erzeugt. Bei geöffnetem Schalter 1 fließt jedoch ausreichend Strom durch das zweite elektrische Heizelement 2, sodaß das zweite elektrische Heizelement 2 ausreichend Wärme erzeugt, um den Schalter 1 über der Ausschalttemperatur zu halten. Das zweite Heizelement 2 ist beispielsweise als Heizwiderstand (PTC) ausgebildet.

Das erste Heizelement 3 ist beispielsweise ein Heizstab, mit dem ein Medium, wie z. B. Flüssigkeit oder Gas, erwärmt wird. Die Glimmlampe 4 leuchtet, wenn das erste Heizele­ ment 3 mit Spannung versorgt ist.

Der Temperaturregler 5 weist ein Einstellmittel und einen Temperatursensor auf. Mit dem Temperatursensor wird die Temperatur des Mediums erfaßt und mit einem über das Ein­ stellmittel vorgebbaren Temperaturwert verglichen. Weist das Medium eine Temperatur auf, die über dem vorgegebenen Temperaturwert liegt, so öffnet der Temperaturregler 5 die Verbindung zwischen dem ersten Heizelement 3 und der neutralen Phase der Strom­ versorgung. Auf diese Weise wird das erste Heizelement 3 abgeschaltet.

Der Schalter 1 ist thermisch sowohl an das zweite Heizelement 2 als auch an das erste Heizelement 3 angekoppelt. Wird nun bei geschlossenem Temperaturregler 5 das erste Heizelement 3 zu stark erhitzt, so wird der Schalter 1 über die Ausschalttemperatur er­ wärmt. Als Folge unterbricht der Schalter 1 die direkte Verbindung zwischen der leitenden Phase L und dem ersten Heizelement 3. Die leitende Phase L ist nun nur noch über das zweite Heizelement 2 mit dem ersten Heizelement 3 verbunden. Das zweite Heizelement 2 weist einen entsprechend großen Widerstand auf, daß das erste Heizelement 3 nur noch mit wenig Strom versorgt wird, sodaß das erste Heizelement 3 abkühlt. Das zweite Heizelement 2 erzeugt bei geöffnetem Schalter 1 ausreichend Wärme, um den Schalter 1 über der Ausschalttemperatur zu halten. Der Schalter 1 kann erst nach einem Ausschal­ ten der Stromversorgung abkühlen und anschließend kann die Vorrichtung wieder betrie­ ben werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Behälter 20 vorgesehen ist, in den die erfindungsgemäße Vorrichtung eingeschoben ist. Es ist ein Flansch 15 vorge­ sehen, der topfförmig ausgebildet ist und eine Mittenfläche 16 aufweist, die in eine Rand­ fläche 17 übergeht. An der Randfläche 17 ist ein umlaufender Auflagering 18 ausgebildet, der mit einer entsprechend geformten Ringfläche des Behälters 20 dicht verbunden ist. Der Flansch ist über eine Deckplatte 22 abgedeckt, die auf den Auflagering 18 aufgelegt ist. Im Behälter 20 ist ein Medium, insbesondere Gas oder Flüssigkeit, angeordnet. Vor­ zugsweise stellt der Behälter 20 einen Warmwasserspeicher dar.

Die Mittenfläche 16 ist im wesentlichen als kreisförmige, leicht gewölbte Fläche ausgebil­ det. In der Mittenfläche 16 sind vier Öffnungen eingebracht, über die ein erster und ein zweiter Anschluß des ersten Heizelementes 3 und ein erstes und ein zweites Schutzrohr 11, 12 in den Innenraum des Behälters 20 geführt sind. Zur Abdichtung der Öffnungen sind Dichtflansche 23 vorgesehen, die die Mittenfläche 16 gegenüber dem ersten Heiz­ element 3 und dem ersten und dem zweiten Schutzrohr 11, 12 abdichten. Das erste Heiz­ element 3 weist ein erstes Anschlußstück 6 außerhalb des Behälters 20 auf, das durch die Mittenfläche 16 in den Behälter 20 geführt ist. Im Behälter 20 weist das erste Heizele­ ment 3 ein erstes Teilstück 8 auf, das sich in Form einer Spirale in den Behälter 20 hinein erstreckt. Das erste Teilstück 8 geht in ein zweites Teilstück 9 über, das U-förmig aus­ gebildet ist. Die U-Form ist parallel zur Ausrichtung der Spirale ausgerichtet und geht von einem Endbereich des ersten Teilstückes 8 aus und führt in den Innenbereich der Spiral­ form des ersten Teilstückes 8. Im Innenbereich geht das zweite Teilstück 9 in ein drittes gerades Teilstück 10 über, das innerhalb der Spirale zur Mittenfläche 16 zurückgeführt ist. Das dritte Teilstück 10 ist durch die Mittenfläche 16 geführt und geht in ein zweites Anschlußstück 7 über.

Das erste Schutzrohr 11 ist durch die Mittenfläche 16 in den Behälter 20 geführt und er­ streckt sich bis in den Bereich des zweiten Teilstückes 9. Das erste Schutzrohr 11 ist zy­ linderförmig ausgebildet und parallel zu einem Schenkel der U-Form des zweiten Teil­ stückes 9 angeordnet und mit einem Teilstück an einem Schenkel des zweiten Teilstücks 9 angelegt. Auf diese Weise ist ein relativ langer Abschnitt des ersten Schutzrohres 11 mit dem ersten Heizelement 3 verbunden. Dadurch wird eine besonders gute thermische Ankopplung zwischen dem ersten Schutzrohr 11 und dem ersten Heizelement 3 erreicht. Vorzugsweise ist das erste Schutzrohr 11 über eine thermische Leitschicht 19 mit einem Schenkel des U-förmigen zweiten Teilstückes 9 verbunden. Das erste Schutzrohr 11 ist vorzugsweise bis zur Spitze der U-Form des zweiten Teilstückes 9 in den Behälter 20 ge­ führt.

Der Schalter 1 ist im Innenraum des ersten Schutzrohres 11 vorzugsweise in dem Be­ reich angeordnet, der an das erste Heizelement 3 thermisch angekoppelt ist. Das zweite Heizelement 2 ist ebenfalls im Bereich des Schalters 1 angeordnet und thermisch an den Schalter 1 angekoppelt. Die Parallelschaltung des Schalters 1 und des zweiten Heiz­ elementes 2 wird über elektrische Leitungen 13, die aus dem ersten Schutzrohr 11 her­ ausgeführt sind, über Strom versorgt. Der Schalter 1 ist vorzugsweise ebenfalls über eine Leitschicht an die Innenwand des ersten Schutzrohres 11 thermisch angekoppelt.

Das zweite Schutzrohr 12 ist vorzugsweise im Innenbereich der Spirale des zweiten Teil­ stückes 9 angeordnet und erstreckt sich bis knapp über die Spitze des U-förmigen zwei­ ten Teilstückes 9. Im zweiten Schutzrohr 12 ist mindestens ein Temperatursensor 14 des Temperaturreglers 5 angeordnet und thermisch an die Innenwand des zweiten Schutz­ rohres 12 angekoppelt. Der Temperatursensor 14 des Temperaturreglers 5 weist Sensor­ leitungen 21 auf, die zum Flansch 15 zurückgeführt sind, in dem der Temperaturregler 5 angeordnet ist. Der Temperaturregler 5 kann auch im zweiten Schutzrohr 12 angeordnet sein.

Die elektrische Verschaltung der Vorrichtung ist in Fig. 2 nicht explizit dargestellt, ent­ spricht aber der elektrischen Schaltung der Fig. 1.

Die Ausführungsform des ersten Heizelementes 3, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ form des ersten Heizelementes 3 kann auch jede andere beliebige Ausführungsform ge­ wählt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Schalter 1 und das zweite Heizelement 2 entfernt vom Flansch 15 im Behälter 20 angeordnet und geschützt gegenüber dem Medium des Behälters 20 sind. Auf diese Weise kann eine An­ kopplung des Schalters 1 an das erste Heizelement 3 entfernt vom Flansch 15 vorgese­ hen sein, ohne die Funktionsfähigkeit des Schalters 1 zu beeinträchtigen. Dies erlaubt ei­ ne große Flexibilität in der Anordnung des Schalters 1 und in der Ausbildungsform des er­ sten Heizelementes 3. Das erste Schutzrohr 11 ist vorzugsweise in Form eines hohlför­ migen Zylinderrohres abgebildet. Es kann jedoch auch jede andere Ausbildungsform gewählt werden, mit der der Schalter 1 entfernt vom Flansch 15 im Behälter 20 angeord­ net werden kann und der Schalter 1 gegenüber dem Medium des Behälters 20 geschützt ist.

In einer einfachen Ausführungsform kann das zweite Schutzrohr 12 entfallen und der Temperatursensor 14 mit oder ohne Temperaturregler 5 ist vorzugsweise im ersten Schutzrohr 11 eingebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Schalter 1 und das zweite Heizelement in Form eines hülsenförmigen Bauteils ausgebildet, wobei der Durchmesser der Hülsenform an den Durchmesser des ersten Schutzrohres 11 ange­ paßt ist, sodaß das hülsenförmige Bauteil in das erste Schutzrohr 11 eingeschoben und beispielsweise über einen thermisch leitenden Kleber mit dem Schutzrohr 11 verklebt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Schalter

2

zweites Heizelement

3

erstes Heizelement

4

Glimmlampe

5

Temperaturregler

6

erstes Anschlußstück

7

zweites Anschlußstück

8

erstes Teilstück

9

zweites Teilstück

10

drittes Teilstück

11

erstes Schutzrohr

12

zweites Schutzrohr

13

Leitungen

14

Temperatursensor

15

Flansch

16

Mittenfläche

17

Randfläche

18

Auflagering

19

Leitschicht

20

Behälter

21

Sensorleitung

22

Deckplatte

23

Dichtflansch

Claims (9)

1. Vorrichtung zum elektrischen Erwärmen eines Mediums in einem Behälter mit ei­ nem ersten elektrischen Heizelement, das im Behälter angeordnet und zum Er­ wärmen des Mediums vorgesehen ist, mit einem Schalter, der bei einer vorge­ gebenen Temperatur öffnet, mit einem zweiten elektrischen Heizelement, das thermisch an den Schalter angekoppelt ist und bei geöffnetem Schalter und angeschlossener Stromversorgung den Schalter über der vorgegebenen Tem­ peratur hält, wobei das erste Heizelement abhängig von der Schaltposition des Schalters mit Strom versorgt wird, wobei das erste Heizelement thermisch an den Schalter gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzrohr (11) vorgesehen ist, das im Behälter (20) angeordnet und gegenüber dem Behälter (20) abgeschlossen ist, daß das Schutzrohr (11) an das erste Heizelement (3) thermisch angekoppelt ist, und daß der Schalter (1) und das zweite Heizelement (2) im Schutzrohr (11) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Heiz­ element (3) ein gerades Teilstück (9) aufweist, das an das Schutzrohr (11) ther­ misch angekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (1) im Bereich des geraden Teilstückes (9) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (11) über eine thermische Leitschicht (19) mit dem ersten Heiz­ element (3) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein er­ stes Teilstück (8) des ersten Heizelementes (3) als Spirale ausgeführt ist, daß das er­ ste Teilstück (8) in ein zweites Teilstück (9) übergeht, das U-förmig ausgebildet ist, daß das zweite Teilstück (9) innerhalb der Spirale in Richtung auf den Anfang des ersten Teilstückes (8) zurückgeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das er­ ste Heizelement (3) mindestens teilweise als Spirale ausgebildet ist, und daß das Schutzrohr (11) innerhalb der Spirale angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Schutzrohr (12) vorgesehen ist, das im Behälter (20) angeordnet und gegen­ über dem Behälter (20) abgeschlossen ist, und daß im zweiten Schutzrohr (12) ein Temperatursensor (5) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein topfförmiger Flansch (15) vorgesehen ist, daß der Flansch (15) eine Mittenfläche (16) aufweist, die von einer Randfläche (17) umgeben ist, daß das erste Heizelement (13) und das erste Schutzrohr (11) durch die Mittenfläche (16) geführt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (1) und das zweite Heizelement (2) als ein hülsenförmiges Bauteil ausgebildet sind.