DE102004060382A1

DE102004060382A1 - Dickschicht-Rohr-Heizung

Info

Publication number: DE102004060382A1
Application number: DE102004060382A
Authority: DE
Inventors: Martin Wallinger; Andreas Dr. Pleschinger
Original assignee: Bleckmann GmbH and Co KG
Current assignee: Bleckmann GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-29
Also published as: ATE534266T1; EP1672958B1; EP1672958A3; EP1672958A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Mediums, ein Heizmodul, enthaltend die erfindungsgemäße Heizvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizvorrichtung. Die elektrische Heizvorrichtung weist einen wenigstens im Bereich eines ersten Rohrendes verschlossenen rohrförmigen Grundkörper, der einen Heizbereich mit einer Vielzahl von Strömungsöffnungen und wenigstens auf einer Innenfläche oder einer Außenfläche wenigstens eine Heizleiterbahn in Form einer strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen umfasst, die in einem Anschlussbereich ausgeführt und kontaktierbar sind, auf, wobei die wenigstens eine Widerstands-Heizleiterschicht elektrisch isoliert sowie gegenüber dem Medium abgedichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektrischer Heizvorrichtungen, nämlich Heizvorrichtungen zum Erwärmen von flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere eine Dickschicht-Rohr-Heizung gem Anspruch 1, ein Heizmodul gemäß Anspruch 23, sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 26 für eine solche Dickschicht-Rohr-Heizung.

In elektrischen Haushaltsgeräten, insbesondere in solchen zum Waschen und Trocknen von Wäschestücken bzw. Geschirr, werden zum Erhitzen des Reinigungswassers elektrische Heizvorrichtungen verwendet. Bei der Entwicklung dieser Haushaltsgeräte wird angestrebt, einerseits den elektrischen Energiebedarf der Geräte zu senken, im Falle von Waschmaschinen beispielsweise durch Reduzierung der Wassermenge, andererseits sollen die Herstellkosten gering gehalten werden, dennoch aber eine niedrige Ausfallrate der Geräte während ihres Lebenszyklus gewährleistet werden. In einem Fehlerfall soll eine Reparatur mit geringen Reparaturkosten verbunden sein. Schließlich ist eine kompakte Bauweise der Heizvorrichtung selbst wünschenswert, wobei zum einen eine Bauform mit möglichst geringem Raumbedarf bei geforderter Wärmeleistung und zum anderen die elektrischen Anschlüsse der Heizvorrichtung auf Grund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Beschädigungen besonders berücksichtigt werden sollen.

Einen weiteren Aspekt stellen die modernen Waschmittel da, die nicht nur "waschaktive Substanzen" enthalten, wie Seife, anionische und nicht ionische Tenside. Den größeren Anteil machen Hilfsstoffe zur Wasserenthärtung, beispielsweise Zeolithe, Schaumregulatoren, Bleichmittel und Füllstoffe aus. In fast allen Waschmitteln sind Enzyme enthalten, so unterstützen Proteasen, Lipasen und Amylasen die Schmutzentfernung, Cellulasen spalten Zellulose-Ketten, und dienen der Entfernung abgespaltener Fasern aus zu reinigendem Gewebe. Daher sind die mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt stehende Außenfläche der Heizelemente neben den thermischen auch starken chemischen Belastungen ausgesetzt. Somit sollte diese Außenfläche entsprechende Materialeigenschaften besitzen. Hier wurden in der Vergangenheit zahlreiche Versuche mit Schutzschichten wie beispielsweise Teflon unternommen, die jedoch zu keinen guten Ergebnissen geführt haben. So konnte eine Teflonbeschichtung nicht wirksam den Ansatz von Kalk verhindern.

Für den Einsatz in Wäschewaschmaschinen ist daher eine Stabilität gegenüber Laugen mit einem PH-Wert größer als 7 bis zu einem PH-Wert von 10 (leicht alkalisch), bei gleichzeitiger chemischer Resistenz gegenüber Oxidations- bzw. Bleichmitteln wie z. B. Wasserstoffperoxid oder Chlorbleichen notwendig. Für den Einsatz in Geschirrspülmaschinen sollte die chemische Beständigkeit hinsichtlich des PH-Wertes der eingesetzten Waschlösungen von einem PH-Wert von 5 bis 10 reichen, da die eingesetzten Spülmittel, insbesondere durch die Verwendung von Säuren in Klarspülern, den PH-Wert auch in den sauren Bereich verschieben können.

Die 1 zeigt ein Heizmodul 100 mit einem Rohrheizelement 110 des Standes der Technik, wie es zurzeit in den eingangs genannten elektrischen Haushaltsgeräten eingesetzt wird. Das Rohrheizelement 110 besteht prinzipiell aus einem korrosionsbeständigen Rohr 111 mit zwei Enden 112, 114, in dem im Inneren 116 ein in ein Isolationsmaterial z. B. Magnesiumoxid – als Füllstoff und zur elektrischen Isolierung – eingebetteter hochohmiger Heizdraht, d. h. der Heizleiter, enthalten sind. Dabei dient das Rohr 111 im Wesentlichen zum Schutz dieses elektrisch isolierenden Füllstoffes und des Heizleiters gegenüber dem zu erhitzenden und zur Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium. Der Heizleiter ist von außen über elektrische Anschlüsse 122, 124 an den jeweiligen Rohrenden 112, 124 kontaktierbar, wobei mittels Dichtungen 132, 134 die elektrischen Anschlüsse 122, 124 gegenüber dem Rohr 111 isoliert und das Rohr nach außen hin abgedichtet ist. Zusammen mit einer Dichtungsbaugruppe 140 bildet das Rohrheizelement 110 das Heizmodul 100. Die Dichtungsbaugruppe 140 besteht im Wesentlichen aus einem mit dem Rohrheizelement 110 fest verbundenen Flansch 142, einer Dichtung 144 und einem Spannstück 146. Bei der Montage eines Heizmoduls 100 wird dies in den Bottich, beispielsweise einer Waschmaschine oder eines Geschirrspülers, mithilfe der Dichtungsbaugruppe so eingebaut, dass das Rohrheizelement 110 im Inneren des Bottichs liegt und die elektrischen Anschlüsse 122, 124 von außen kontaktierbar sind. Dabei liegt der Flansch 142 an der Bottichwand an und die Dichtung 144 wird mittels des Spannstücks 146 durch Anziehen eine Mutter 148 zusammengedrückt. Dadurch wird sowohl das Heizmodul 100 an dem Bottich befestigt als auch die Einbauöffnung im Bottich mittels der Dichtung 144 abgedichtet. Zur Erfassung und Kontrolle der Temperatur des zu erhitzenden Mediums ist in der Dichtungsbaugruppe 140 eine weitere Durchführung vorgesehen, in der ein Temperaturfühler 150 angeordnet ist, der mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht.

Nachteilig bei Rohrheizelementen des Standes der Technik ist, dass bei deren Herstellung sehr viele Fertigungsschritte benötigt werden. Auch ist die Anordnung aus dem Heizleiter, dem Füllstoff, mit dem der Heizleiter gegenüber dem (Schutz-)Rohr isoliert und gesichert wird, thermisch nicht optimal, da verhältnismäßig große thermische Massen aufzuheizen sind; dies zeigt sich insbesondere bei der thermischen Reaktionszeit solcher Rohrheizelemente. Auch ist es bei den vorstehend beschriebenen Rohrheizelementen nicht möglich einen Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des zu erhitzenden Mediums in das Rohrheizelement zu integrieren. Schließlich wird aufgrund der Bauweise des bekannten Heizmoduls sehr viel Volumen des zu erhitzenden Mediums verdrängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung bereitzustellen, die eine schnelle Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht, wobei die Heizvorrichtung bei gleicher Heizleistung möglichst weniger Volumen des zu erhitzenden Mediums als ein herkömmliches Rohrheizelement verdrängen soll.

Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den sich daran anschließenden Ansprüchen 2 bis 22 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu. Weiter wird die vorstehende Aufgabe durch ein Heizmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. In dem sich daran anschließenden Ansprüchen 24 und 25 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung vorzuschlagen, das eine einfache und kürzere Fertigung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ermöglicht.

Die vorstehende Aufgabe wird hinsichtlich der Fertigung durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Anspruch 26 gelöst. In den sich daran anschließenden Ansprüchen 27 bis 32 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu.

Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung weist einen wenigstens im Bereich eines ersten Rohrendes verschlossenen rohrförmigen Grundkörper auf. Dabei besitzt der rohrförmige Grundkörper einen mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt bringbaren Heizbereich mit einer Vielzahl von Strömungsöffnungen. Auf einer Innenfläche oder einer Außenfläche des rohrförmigen Grundkörpers ist wenigstens eine Heizleiterbahn in Form einer strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme vorgesehen, die wenigstens zwei elektrische Anschlüsse besitzt, die in einem Anschlussbereich ausgeführt und kontaktierbar sind. Sowohl die wenigstens eine Heizleiterbahn als auch der Grundkörper sind mittels einer Abdeckschicht wenigstens im Heizbereich elektrisch isoliert sowie gegenüber dem Medium dicht aufgetragen.

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einem offenen Rohrende an dem Teil des Grundkörpers mit dem Heizbereich bietet die Möglichkeit dort eine Pumpe anzuschließen, mit der die Zirkulation des zu erhitzenden Mediums entlang der Innenfläche zusätzlich durch Zufuhr bzw. durch Absaugen gesteigert werden kann. Dies ist bei den eingangs beschriebenen Rohrheizkörpern nicht möglich. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass es auch möglich ist, den rohrförmigen Grundkörper an beiden Rohrenden zu verschließen.

Grundsätzlich können die Strömungsöffnungen alle denkbar möglichen Formen aufweisen, bevorzugt sind sie jedoch als Rundlöcher bzw. Langlöcher ausgeführt. Besonders bevorzugt sind die Strömungsöffnungen in regelmäßigem Abstand in dem rohrförmigen Grundkörper über den gesamten Heizbereich verteilt vorgesehen. Aufgrund dieser Strömungsöffnungen steht die Heizvorrichtung im Heizbereich bei erfindungsgemäßer Verwendung – bis auf den Anschlussbereich – vollständig mit der gesamten Oberfläche, d. h. der Innenfläche und der Außenfläche des rohrförmigen Grundkörpers, mit dem zu erhitzenden flüssigen Medium in direktem Kontakt; dies ist im Anschlussbereich nur für die Innenfläche der Fall. Dadurch wird eine schnellere Wärmeabgabe an das Medium erzielt, auch ist der Wirkungsgrad der Heizvorrichtung gegenüber herkömmlichen Rohrheizkörpern deutlich verbessert. Insbesondere werden durch die gute Wärmeabgabe über den gesamten Heizbereich in der Heizvorrichtung Materialspannungen aufgrund der thermischen Ausdehnung der einzelnen Materialien deutlich reduziert bzw. vermieden.

Durch das Vorsehen eines Anschlussbereiches an der Heizvorrichtung, in dem die elektrischen Anschlüsse des wenigstens einen Widerstands-Heizelements angeordnet und von außen kontaktierbar sind, wird vermieden, dass bei der Herstellung, der Montage und/oder der Lagerung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung die elektrischen Anschlüsse des Widerstands-Heizelements beschädigt werden können. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung keine über ihre Außenumfangskontur hinaus überstehende Elemente auf, die einen besonderen Schutz bzw. eine besondere Verpackung benötigen. Da die elektrischen Anschlüsse der herkömmlichen Rohrheizkörper aus elektrisch gut leitendem Material gefertigt sein müssen und damit teuer sind, ermöglicht die Heizvorrichtung der Erfindung eine erhebliche Materialeinsparung.

Durch die Ausführung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ohne einen homogenen geschlossenen Mantel wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Rohrheizkörper vereinfacht sich auch die Herstellung wesentlich. Weitere Vorteile sind zusätzlich die Materialeinsparung durch beispielsweise den Wegfall des Füllstoffes und die damit verbundene Gewichtsreduzierung, aber auch die deutlich schnellere thermische Reaktionszeit aufgrund der deutlich reduzierten thermischen Massen. Darüber hinaus kann ohne großen Aufwand im Betrieb ein „trockener" Anschlussbereich sichergestellt werden.

Hinsichtlich der Heizleiterschicht ist zu vermerken, dass hierfür gute Ergebnisse mit Metall, Metalllegierung, aber auch mit Keramik-Metall-Verbundstoffen erzielt wurden. Auch thermisch gespritzte bzw. kaltgasgespritzte Metalle bzw. Metalllegierungen und mittels Siebdruck aufgetragene und aufgebrannte Widerstandspaste haben gut funktioniert. Als besonders vorteilhaft ist im Zusammenhang mit der Heizleiterschicht noch anzumerken, dass durch eine entsprechende Strukturierung der Widerstands-Heizleiterschicht, d. h. der Ausformung des bzw. der Heizleiter, in dem Heizbereich verschiedene Temperaturzonen mittels Variation der Heizleiterdicke, Heizleiterbreite oder des Abstands zwischen den Heizleitern eingestellt werden können. Auch ist noch anzumerken, dass sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Grundkörpers der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung Widerstands-Heizelemente vorgesehen sein können.

Ein weiterer Vorteil des Aufbaus der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist, dass sehr einfach zusätzlich ein oder mehrere elektrische Sensorelemente verschiedenster Funktionen vorgesehen werden können. Ein solches Sensorelement kann isoliert auf der Innenfläche oder der Außenfläche des Grundkörpers angeordnet sein, wobei dessen elektrische Anschlüsse vorzugsweise auch im Anschlussbereich angeordnet und kontaktierbar sind. Dabei kann es sich bei dem Sensorelement prinzipiell um unterschiedlichste Sensorarten handeln, die zur Überwachung der Heizvorrichtung bzw. des Heizvorgangs oder des zu erhitzenden Mediums dienen können.

So kann ein Temperatursensor zur Steuerung und/oder thermischen Überwachung sowie Absicherung des Widerstands-Heizelements dienen. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die Funktion der Überwachung des zu erhitzenden Mediums und die der thermischen Überwachung sowie Absicherung des Widerstands-Heizelements durch zwei oder mehrere unterschiedliche Sensorelemente vorzunehmen. Hier sei besonders darauf hingewiesen, dass insbesondere für die präzise und zuverlässige Steuerung bzw. Regelung eines Heizelements die Lage eines entsprechenden Temperatursensors entscheidend ist.

Demnach kann ein erstes Sensorelement ein Temperatursensor sein, der unmittelbar neben oder auf der wenigstens einen Heizleiterbahn und von dieser und gegebenenfalls gegenüber dem Medium elektrisch isoliert und abgedichtet angeordnet ist. Damit ist es bei der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung möglich, nahezu ideal eine thermische Überwachung des Heizelements und/oder Erfassung der Mediumstemperatur zu realisieren. So kann der entsprechende Temperatursensor nahezu direkt am jeweils relevanten Messort, d. h. direkt auf oder neben dem Heizleiter bzw. im direkten oder indirekten thermischen Kontakt zum Medium, angeordnet werden. Damit kann vorteilhaft eine thermische Überlastung des Heizelements nahezu ausgeschlossen werden. Dabei ist das Vorsehen des hierzu benötigten Temperatursensors deutlich einfacher zu realisieren, als dies bei einem herkömmlichen Rohrheizkörper überhaupt möglich wäre. Bevorzugt wird der Temperatursensor auf dem rohrförmigen Grundkörper im Heizbereich angeordnet, wobei der Temperatursensor entweder auf der Innenfläche oder auf der Außenfläche angeordnet sein kann. Dies kommt besonders dem Wunsch entgegen, die Temperatur des zu erhitzenden Mediums möglichst direkt erfassen zu können. Bei dem eingangs geschilderten herkömmlichen Rohrheizkörper ist dies so nicht möglich.

Weiter kann ein zweites Sensorelement ein Sicherungselement zur Absicherung der Heizvorrichtung sein. Ein solches Sicherungselement kann beispielsweise den Heizleiter in einem Fehler- bzw. Störungsfall, wie zum Beispiel ein Trockenlauf der Heizvorrichtung, unterbrechen. Hierzu ist es bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders einfach möglich – bevorzugt im Anschlussbereich – ein solches Sicherungselement in den Heizleiter zu integrieren. Die Absicherung kann dabei in einer thermischen Absicherung aber auch in einer elektrischen Absicherung des Heizelements bestehen. Bei der ersten Variante wird die Temperatur des Heizleiters mittels eines entsprechenden Temperatursensors überwacht und der Heizstrom entsprechend unterbrochen oder geregelt. Bei der elektrischen Absicherung wird der Heizstrom überwacht und bei Überschreiten eines bestimmten Wertes unterbrochen, begrenzt oder abgeregelt. Es ist jedoch auch möglich extern oder im Anschlussbereich der Heizvorrichtung eine Regelungsschaltung vorzusehen, die den Heizstrom überwacht und entsprechend regelt.

Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der Aufbau der Heizvorrichtung die Verwendung von Sensorelementen in Form eines SMD-Bauteils (SMD, surface mounted device) ermöglicht. Diese können nahezu an jeder gewünschten Stelle auf der Heizvorrichtung angeordnet werden, d. h. sowohl im Heizbereich, der als „nasser" Bereich mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht als auch im Anschlussbereich, der als „trockener" Bereich bei der eingebauten Heizvorrichtung in einem Bottich außerhalb, d. h. vom zu erhitzenden Medium abgeschirmt ist. Besonders das verschlossene Ende des rohrförmigen Grundkörpers ermöglicht auch eine zuverlässige Erfassung der Mediumstemperatur sogar direkt im dort angeordneten Anschlussbereich, da die Innenfläche des Grundkörpers hier mit dem Medium im Kontakt steht. Zusätzlich von Vorteil ist es dann, dass ein dort angeordnetes Sensorelement nicht gegenüber dem Medium abgedichtet bzw. isoliert werden muss.

Eine weiter vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einem Temperatursensor zu Überwachung bzw. Erfassung der Mediumstemperatur liegt in der Möglichkeit, ein handelsübliches NTC- oder PTC-Element mit einer Hülse, beispielsweise einer Metallhülse aus Chromnickel-Stahl, in dem verschlossenen Ende des rohrförmigen Grundkörpers vorzusehen. Damit kann dieses Rohrende besonders einfach verschlossen werden, indem die Hülse des Temperatursensors als Deckel verwendet wird, die beispielsweise, wenn der rohrförmige Grundkörper und die Hülse aus Metall sind, durch Schweißen materialschlüssig mit dem Grundkörper aus Metall verbunden werden kann. Auch steht der Temperatursensor besonders vorteilhaft mit dem zu erhitzenden Medium in direktem Kontakt.

Es sei noch angemerkt, dass je nach Anforderung als Sensorelemente an den vorstehenden Positionen auch Sensoren für andere physikalische Messgrößen verwendet werden können, wie zum Beispiel ein Drucksensor oder ein Sensor zur Erfassung des PH-Wertes etc.

Grundsätzlich ist für den rohrförmigen Grundkörper, jedes Material mit guten Wärmeleiteigenschaften und gleichzeitig ausreichend hohem Schmelzpunkt bzw. einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten geeignet. Bevorzugt wird für den Grundkörper ein austenitischer oder ein ferritischer Edelstahl. Besonders bevorzugt bietet sich aus Kostenüberlegungen als Grundkörpermaterial unlegierter Stahl, wie zum Beispiel Kaltbandstahl, an. Es sei jedoch angemerkt, dass der Grundkörper prinzipiell auch aus einer Keramik oder einem Metall-Keramik-Verbundstoff (Cermet) bestehen kann.

Wenn der Grundkörper selber elektrisch leitfähig ist, ist zur elektrischen Isolation unmittelbar auf dem Grundkörper eine Dielektrikumsschicht als eine erste Abdeckschicht angeordnet. Hierfür hat haben sich Keramikschichten, vorzugsweise aus Aluminiumdioxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid, oder einer Mischung davon, als geeignet herausgestellt. Gleichermaßen ist als erste Abdeckschicht auch eine Emailleschicht oder Glasschicht geeignet.

Als besonders problematisch hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass bei einer thermisch belasteten spröden Schicht bzw. mehreren Schichten mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften (bzw. mit unterschiedlich thermischem Ausdehnungsverhalten), insbesondere bei keramischen oder gläsernen Schichten, Risse auftreten können. Dies ist bei einer Heizvorrichtung, die im Betrieb einen elektrischen Strom führenden Heizleiter besitzt und in ein zu erhitzendes meist elektrisch leitfähiges Medium eingetaucht ist, nachteilig, da durch Risse Kurzschlüsse auftreten können. In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, in der ersten Abdeckschicht zwischen den Heizleiterbahnen der Widerstands-Heizleiterschicht Dehnfugen vorzusehen. Durch diese Maßnahme wird besonders einer Rissbildung in den Funktionsschichten, das sind die erste Abdeckschicht, die Widerstands-Heizleiterschicht und die im Folgenden genannte zweite Abdeckschicht, durch die im Betrieb auftretenden thermischen Belastungen vermindert, insbesondere wird damit neben der guten Wärmeabfuhr durch den vollständigen Kontakt des rohrförmigen Grundkörpers mit dem flüssigen Medium sichergestellt, dass die erste und die zweite Abdeckschicht im erfindungsgemäßen Betriebseinsatz sich nicht ablösen bzw. abgesprengt werden.

Zum Schutz der Heizvorrichtung im Betrieb vor äußeren Einflüssen und zur Abdichtung und Isolation gegenüber dem Medium ist die Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich, d. h. im nassen Bereich, mit einer aufgetragenen elektrisch isolierenden und mediumsdichten zweiten Abdeckschicht versehen, die eine Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 1 bis 50 W/mK erreicht. Es sei angemerkt, dass die zweite Abdeckschicht selbstverständlich auch aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein kann, von den jeweils eine der beiden Funktionen „elektrisch Isolieren" und „gegenüber dem zu erhitzenden Medium Abdichten" erfüllt wird.

Schließlich kann auch eine abschließende veredelnde dritte Abdeckschicht auf der Außenfläche der Heizvorrichtung vorgesehen werden, die vorzugsweise Antihafteigenschaften, sog. Anti-Soiling-Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise weist schon die zweite Abdeckschicht selber solche Anti-Soiling-Eigenschaften auf. D. h., die dritte Abdeckschicht bzw. die zweite Abdeckschicht ist im Aufbau so ausgelegt, dass sich weder Kalk noch andere organische Substanzen am Rohr ablagern können. Damit ist ein gleich bleibender und über den Heizbereich gleichmäßiger Wärmeübergang von der Heizung zum Medium gewährleistet. Hinsichtlich der Anti-Soiling-Eigenschaften kann die zweite bzw. dritte Abdeckschicht beispielsweise eine nanostrukturierte Schutzschicht sein, für die bevorzugt nanostrukturierte Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen verwendet werden, wie dotierte/undotierte Nano-Pulver, die auf z. B. Titanoxid (TiO2), Antimonzinnoxid ((Sb)SnO₂), Indiumzinnoxid ((In)SnO₂) Zirkoniumoxid (ZrO₂), Ceroxid (CeO₂), Titanoxid-Siliziumoxid (TiO₂-SiO₂) basieren.

Es wurde festgestellt, dass bei einigen Ausgestaltungen der ersten Abdeckschicht wie beispielsweise als eine Keramikschicht, sich Wassermoleküle in die Poren der Keramik einlagern. Dadurch bilden sich in dieser Schicht, die primär zu elektrischen Isolation dient, leitfähige Pfade aus, die zu Kurzschlüssen bzw. höheren Ableitströmen führen können. Als besonders vorteilhaft hat es sich deshalb herausgestellt, für den Fall, dass die erste Abdeckschicht als eine poröse Dielektrikumsschicht ausgeführt ist, an den Dehnfugen, den Strömungsöffnungen sowie wenigstens an dem offenen Rohrende des Grundkörpers, diese poröse Schicht stirnseitig auch mit der zweiten Abdeckschicht zu versehen, d. h. zu versiegeln. Damit wird vorteilhaft ein Unterwandern dieser Schicht bzw. ein stirnseitiges Eindringen von Flüssigkeiten in die poröse Schicht verhindert.

Als besonders bevorzugt hat es in einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung daher herausgestellt, sowohl die erste als auch die zweite Abdeckschicht aus Emaille oder Glas auszuführen, da von diesen Stoffen beide Anforderungen hinsichtlich der notwendigen elektrischen Isolation als auch der Abdichtung gegenüber dem zu erhitzenden Medium erfüllt werden. In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, dass das Überziehen der gesamten Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich, der mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt tritt, mit der zweiten Abdeckschicht besonders vorteilhaft die Verwendung von unedlen Metallen, z. B. unlegierten Stählen, für den Grundkörper ermöglicht. So kann der Grundkörper aus günstigem Kaltbandstahl als Ausgangsmaterial hergestellt werden.

Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist auf die Problematik sog. „Hotspots" gerichtet. Als Hotspots sollen in diesem Zusammenhang im Betrieb auftretende Stellen bei einer Heizvorrichtung angesehen werden, an denen teilweise erhebliche Übertemperaturen auftreten. Solche Hotspots können durch lokale äußere Verunreinigungen auftreten, aber auch bauartbedingt an bestimmten Stellen des Heizleiters hervorgerufen werden. So ist zum einen im Anschlussbereich der Heizvorrichtung nicht erwünscht, dass der Heizleiter dort elektrische Energie in Wärme umwandelt. Aber auch an so genannten Umkehrpunkten des Heizleiters, die wenigstens einmal am offenen Rohrende notwendig sind, wurde das Auftreten von solchen lokalen Überwärmungen festgestellt. Daher werden die Heizleiterbahn(en) an Umkehrpunkten und im Anschlussbereich gegenüber der restlichen Heizleiterbahn so eingestellt, dass diese an solchen Stellen einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen. Dies kann prinzipiell durch eine Erhöhung des wirksamen Heizleiterquerschnitts an Umkehrpunkten bzw. im Anschlussbereich, beispielsweise durch Vorsehen von mehr Heizleitermaterial, erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Heizleiterbahn an den Umkehrpunkten bzw. im Anschlussbereich aus einem Widerstandsmaterial mit einer höheren Leitfähigkeit als die restliche Heizleiterbahn besteht oder dort auf der Heizleiterbahn ein zusätzliches Heizleitermaterial mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand vorgesehen bzw. aufgetragen ist. Bei der Erfindung kommen bevorzugt thermisch gespritzte bzw. kaltgasgespritzte Metalle oder Metalllegierungen, aber auch Dickschichtpasten, wie Silber/Palladium-Pasten, oder elektrische leitfähige Polymere, wie silbergefülltes Epoxid, zur Anwendung.

Hinsichtlich des Anschlussbereichs sei angemerkt, dass wenn die Anschlüsse und gegebenenfalls der Teil der Heizleiter vom Anschlussbereich bis zum Heizbereich des wenigstens einen Heizelements einen gegenüber dem übrigen Teil des Widerstands-Heizelements geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, hierdurch der Anschlussbereich der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eine „kalte Zone" darstellt, d. h. eine Zone, in der nahezu keine Wärmeabgabe durch das Heizelement erfolgt. Dadurch wird zusätzlich sichergestellt, dass bei der Erfassung der Mediumstemperatur im Anschlussbereich diese richtig gemessen werden kann und nicht durch Wärme vom Heizleiter verfälscht wird.

Betreffend die Isolation und Abdichtung der elektrischen Widerstands-Heizleiterschicht gegenüber dem Medium als auch gegenüber dem Grundkörper sei noch angemerkt, dass von den verwendeten Materialien für die jeweiligen Abdeckschichten eine Hochspannungsfestigkeit von wenigstens 1250VAC, vorzugsweise 3750VAC, ein maximaler Ableitstrom von 0,75mA, vorzugsweise 0,25mA, eine chemische Stabilität gegenüber dem Medium in einem PH-Bereich von 7 bis 10, vorzugsweise 5 bis 10 und eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK, vorzugsweise von 10 bis 50W/mK erreicht werden.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besteht in der Integration von einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung oder mehreren erfindungsgemäßen Heizvorrichtungen in ein Heizmodul, wobei im Wesentlichen zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich an der einen Heizvorrichtung oder den mehreren parallel angeordneten Heizvorrichtungen eine um den Grundkörper herumverlaufende Dichtung zur Abdichtung einer Einbauöffnung für das Heizmodul angeordnet ist. Eine solche Dichtung kann beispielsweise als eine Kegeldichtung ausgeführt sein, die beispielsweise mit einem für eine Dichtung geeigneten Material direkt mit gleichzeitiger entsprechender Formgebung an de Heizvorrichtung angespritzt wird. Damit ist gleichzeitig eine Abdichtung zwischen Heizbereich und Anschlussbereich gewährleistet.

Eine Weiterbildung des Heizmoduls bestehend darin, anstelle der oben genannten Dichtung eine Flanschbaugruppe mit Standardabmessungen vorzusehen. Eine solche Flanschbaugruppe weist dann im Wesentlichen wenigstens einen Flansch, ein Spannstück und eine zwischen Flansch und Spannstück angeordnete Dichtung auf, wobei die wenigstens eine Heizvorrichtungen an dem Flansch oder dem Spannstück fixiert sind und die Dichtung zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich angeordnet ist.

Weiter kann bei dem Heizmodul für die elektrische Kontaktierung der wenigstens einen Heizvorrichtung und gegebenenfalls eines oder mehrerer Sensorelemente ein Anschlusssteckteil, das beispielsweise einen genormten Steckanschluss bietet, vorgesehen sein.

Das Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung besteht prinzipiell aus den Schritten: Herstellen eines an wenigstens einem Rohrende verschlossenen rohrförmigen Grundkörpers mit Strömungsöffnungen in einem Heizbereich; Aufbringen einer ersten elektrisch isolierenden Abdeckschicht auf den Grundkörper; Aufbringen einer Heizleiterstruktur auf die erste Abdeckschicht; und Aufbringen einer zweiten elektrisch isolierenden und gas- und flüssigkeitsdichten Abdeckschicht auf die Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich. Zusätzlich kann weiter Aufbringen einer dritten nanostrukturierten Abdeckschicht über der zweiten Abdeckschicht vorgesehen sein.

Der rohrförmige Grundkörper wird vorzugsweise durch Wickeln eines bereits die Strömungsöffnungen aufweisenden Materialstreifens, beispielsweise aus Kaltbandstahl, und anschließendes formschlüssiges Verbinden der entsprechenden Stoßkanten hergestellt. Es sei angemerkt, dass für bestimmte Anforderungen, der rohrförmige Grundkörper zusätzlich mit einer geeigneten Korrosionsschutzschicht versehen werden kann.

Es hat sich als günstig erwiesen, den Grundkörper vor dem Auftragen der ersten Abdeckschicht mittels Strahlen, Ätzen oder Schleifen aufzurauen. Anschließend wird die erste Abdeckschicht mittels einem thermischen Spritzverfahren oder Kaltgasspritzverfahren, einem Siebdruckverfahren, einem Sprühverfahren, einem Micropen-Verfahren, oder durch Auflaminierens einer Keramikfolie aufgetragen.

Die Heizleiterschicht wird vorzugsweise mittels einem thermischen oder einem kalten Spritzverfahren aufgetragen. Dabei ist es möglich durch Laserstrukturierung, Wasserstrahlschneiden, Sandstrahlen, Ätzen, Fräsen oder Schleifen der vollflächig aufgetragenen Heizleiterschicht die gewünschte Heizleiterstruktur zu geben, wodurch unterschiedliche Temperaturbereiche geschaffen werden können, aber auch die elektrische Heizleitung der Heizvorrichtung bei gegebener Versorgungsspannung eingestellt werden kann.

Es ist auch möglich, die Heizleiterstruktur durch eine Schablonetechnik zu erzeugen. Dabei wird eine Schablone mittels eines Antihaftmaterials auf der Dielektrikumsschicht aufgebracht und anschließend die Heizleiterschicht aufgetragen. Jedoch wurden Heizleiterstrukturen auch erfolgreich durch direktes strukturiertes Beschichten mit einem feinen Beschichtungsstrahl erzeugt.

Weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Erläuterungen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammen mit den Zeichnungsfiguren erläutert. Die hierbei verwendeten Begriffe „links", „rechts", „unten" und „oben" beziehen sich auf die Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Figurenbezeichnungen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass in den einzelnen Zeichnungsfiguren mit gleicher Leitziffer (z. B. Leitziffer 2: 2a, 2b) gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf ein Rohrheizelement des Standes der Technik;
2a eine Seitenansicht, einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung mit SMD-Temperaturerfassungselement;
2b eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung der 2a;
3a eine Seitenansicht, einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung, wobei ein Temperaturerfassungselement in dem verschlossenen Rohrende des Grundkörpers angeordnet ist;
3b eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung der 3a;
4 eine Draufsicht auf ein Heizmodul mit zwei erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen;
5a eine Seitenansicht eines Heizmoduls mit einer Flanschbaugruppe;
5b eine Schnittansicht des Heizmoduls der 5a;
6 eine Detailansicht eines Heizleiterumkehrpunktes auf einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung;
7a–7b jeweils eine Querschnittsansicht der Anordnung der Funktionsschichten in verschiedenen Ausführungen; und
8 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung der Erfindung.
2a zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 200. Deutlich zu erkennen ist der rohrförmige Grundkörper 201 mit einem offenen Rohrende 202 und einem geschlossenen Rohrende 204, das mit einem Deckel 206 verschlossen ist.
In der 1 ist die Dickschicht-Rohr-Heizung 200 schematisch in Einbaulage in eine Bottichwand 210 dargestellt. Zur Befestigung in und gleichzeitiger Abdichtung der Einbauöffnung der Bottichwand 210 ist an der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 eine Dichtung 220 in Form einer Kegeldichtung aufgespritzt. Der Anschlussbereich liegt damit auf der trockenen Seite des Bottichs und erstreckt sich von dem geschlossenen Rohrende 204 bis zur Bottichwand 210 definierten Ebene. Damit liegt der Heizbereich der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 auf der rechten Seite der Bottichwand 210 im so genannten nassen Bereich, d. h. steht im Betrieb im direkten Kontakt mit dem zu erhitzenden Medium. Der Heizbereich erstreckt sich etwa von der Bottichwand 210 bis zum offenen Rohrende 202.
Deutlich zu erkennen sind die Strömungsöffnungen 230, die über den gesamten Heizbereich regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Strömungsöffnungen 230 weisen die Form von Langlöchern auf, die schräg zu einem senkrechten Rohrquerschnitt mit einem Winkel α in dem Grundkörper 201 der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 ausgebildet sind.
Weiter ist auf dem Grundkörper 201 der Heizleiter 240 aufgetragen, der sich bifilaren geführt über den gesamten Heizbereich erstreckt. Dabei verlaufen jeweils eine Leiterbahn 242 als Hin-Leiter und eine Leiterbahn 244 als Rück-Leiter parallel zueinander mit einer Steigung, die im Wesentlichen dem Winkel α der Strömungsöffnungen 230 entspricht.
Im Anschlussbereich sind elektrische Anschlüsse 252 und 254 für den Heizleiter 240 angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass, wie eingangs erwähnt, die elektrischen Anschlüsse 252, 254 durch Verwendung eines Materials mit einem geringeren elektrischen Widerstand oder durch Auftrag von zusätzlichem Leiterbahnmaterial im Vergleich zu dem restlichen Heizleiter 240 als so genannte kalte Anschlüsse ausgeführt sind. Weiter ist in dem Anschlussbereich ein Temperatursensor 260 zur Erfassung der Temperatur des zu erhitzenden Mediums vorgesehen. Es sei angemerkt, dass die elektrischen Anschlüsse des Temperatursensors 260 in der 2a nicht zu erkennen sind, diese sind jedoch grundsätzlich ähnlich ausgeführt wie die elektrischen Anschlüsse bzw. Leiterbahnen des Heizleiters 240.
2b zeigt eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 aus der 2a. Es sei angemerkt, dass im Folgenden nur zusätzliche erkennbare Merkmale gegenüber der 2a erläutert werden. Gut zu erkennen ist in 2b einer der grundsätzlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 200, der darin besteht, dass im Heizbereich sowohl die Außenfläche 212 als auch die Innenfläche 214 des rohrförmigen Grundkörpers 201 mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht. Dadurch wird zusammen mit den regelmäßig beabstandeten Strömungsöffnungen 230 eine optimale Zirkulation des zu erhitzenden Mediums an bzw. entlang der Oberfläche der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 und damit eine schneller Wärmeabtransport sichergestellt. Dies ist zur Vermeidung von Materialspannungen, insbesondere bei der hier verwendeten Dickschichttechnologie, ein ganz entscheidender Aspekt, durch den eine Praxistauglichkeit der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 überhaupt erst möglich wurde.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das zu erhitzende Medium auch im Anschlussbereich an der Innenfläche 214 mit dem Grundkörper 201 der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 in Kontakt steht und somit im Anschlussbereich mittels des Temperatursensors 260 sehr genau und unverfälscht durch die Heizwirkung des Heizleiters erfasst werden kann.
Deutlich zu erkennen in der 2b ist auch die Ausführung der kegelförmigen Dichtung 220, die beispielsweise am Ende der Herstellung der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 200 zwischen Anschlussbereich und Heizbereich außen mittels einem Spritzverfahren aufgeformt werden kann. Zum einen wird durch diese Ausführung eine einfache Abdichtung des Anschlussbereichs gegenüber dem Medium an dem Übergang zwischen der Außenfläche 212 und der Dichtung 220 sichergestellt und zum anderen stellt die Dickschicht-Rohr-Heizung 200 zusammen mit der Dichtung 220 ein Heizmodul dar, das an dem Ort der bestimmungsgemäßen Verwendung sehr einfach eingebaut werden kann.
Die 3a zeigt eine Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied der in der 3a dargestellten Dickschicht-Rohr-Heizung 300 gegenüber der in den 2a und 2b dargestellten Dickschicht-Rohr-Heizung 200 besteht in der Integration eines Temperatursensors 360 (3b) am verschlossenen Rohrende 304 des rohrförmigen Grundköpers 301. Anstelle des Deckels 206 in der 2a bzw. 2b wird in der Ausführungsform der Dickschicht-Rohr-Heizung 300 in der 3a das verschlossene Rohrende 304 durch Integration des Temperatursensors 360 in dieses Rohrende 304 verschlossen. Dabei kann beispielsweise ein handelsübliches NTC/PTC-Element in einer Metallhülse, z. B. einer Chromnickel-Stahlhülse, zum Einsatz kommen, wobei die Stahlhülse zugleich als Gehäuse für den Sensor als auch als Deckel für den rohrförmigen Grundkörper 301 am verschlossenen Rohrende 304 fungiert.
Als besonders vorteilhaft ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass hier ein handelsüblicher Temperatursensor mit einem Steckanschluss 362, beispielsweise in Form eines so genannten RAST-Gehäuses, verwendet werden kann. In der 3b ist der mit dem gestrichelten Kreis D gekennzeichnete Ausschnitt der 3a als Detailschnitt dargestellt. Besonders gut ist die Integration des Temperatursensors 360 mit einer Hülse in den rohrförmigen Grundkörper 301 zu erkennen. Die Hülse des Temperatursensors 360 kann beispielsweise mit dem rohrförmigen Grundköper 301 formschlüssig durch Schweißen am Rohrrand 308 verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 300 kann somit eine sehr genaue Temperaturüberwachung des zu erhitzenden Mediums garantiert werden, da, wie in dem Detailschnitt D der 3b deutlich zu erkennen ist, die Hülse des Temperatursensors 360 mit der dem zu erhitzenden Medium zugewandten Außenseite 364 nahezu vollständig in Kontakt steht.
In der 4 ist eine Draufsicht auf ein Heizmodul mit zwei erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401 und 402 gezeigt, die hinsichtlich ihres Aufbaus im Wesentlichen dem der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 der 2a bzw. 2b entsprechen. Das in der 4 gezeigte Heizmodul 400 ist ein Beispiel dafür, wie mehrere der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen besonders einfach und vorteilhaft zueinander parallel angeordnet in ein Heizmodul integriert werden können. Dabei können die einzelnen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 je nach Anforderung des jeweiligen Einsatzgebiets sowohl elektrisch parallel als auch in Serie verschaltet werden.
Das Heizmodul 400 besitzt zum Einbau in eine Bottichwand 410 eine Dichtung 420, die wiederum zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich der jeweiligen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 angeordnet ist. Bei der Dichtung 420 handelt es sich im Wesentlichen wieder um eine Kegeldichtung, die einen besonders einfachen Einbau in die Bottichwand 410 ermöglicht. Um ein einfaches elektrisches Anschließen der vorhandenen Absicherungseinrichtungen bzw. der Anschlüsse der Heizleiterbahnen zu ermöglichen, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein so genanntes RAST-Gehäuse 430 mit zwei Steckanschlüssen 432, 434 zwischen den beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 vorgesehen.
Da sich auf dem Gebiet der Heizelemente für Waschmaschinen, Geschirrspüler etc. bestimmte Abmessungen hinsichtlich der Einbauöffnung in den jeweiligen Bottichen als Quasi-Standard eingebürgert haben, können die erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen selbstverständlich auch besonders vorteilhaft mit einer entsprechenden Flanschbaugruppe in ein Heizmodul integriert werden, wobei die äußeren Abmessungen der Flanschbaugruppe dann diesem Quasi-Standard der Haushaltsgerätebranche angepasst sind. Hier ergibt sich der Vorteil, dass Hersteller der Haushaltsgerätebranche, die diese neuen Heizelemente verwenden wollen, die Einbauöffnungen an ihren Geräten nicht anpassen bzw. ändern müssen. Damit kann die alte Technologie der Rohrheizelemente ohne Probleme und ohne jeglichen Zeit- bzw. Entwicklungsaufwand gegen die neue Technologie gemäß der vorliegenden Erfindung ausgetauscht werden.
Ein Beispiel für ein Heizmodul 500 mit Standard-Flanschbaugruppe ist in den 5a und 5b gezeigt. In 5a sieht man eine Seitenansicht des Heizmoduls 500 mit einer Flanschbaugruppe 510, die im Wesentlichen aus einem Flansch 512, einer Dichtung 514 und einem Spannstück 516 besteht. Links von der Flanschbaugruppe 510 ist der Anschlussbereich einer von den zwei Dickschicht-Rohr-Heizungen (5b: 501, 502) des Heizmoduls 500 zu erkennen. In dem Anschlussbereich befinden sich die beiden elektrischen Anschlüsse 522, 524 und auch die entsprechenden Anschlüsse für einen in SMD-Ausführung vorgesehenen Temperatursensor 530. Weiter ist eine Anschlussfahne 518 zum Anschluss eines Schutzleiters an den Flansch 512 zu erkennen.
Etwas genauer ist die Integration der beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 501 und 502 in das Heizmodul 500 in der 5b dargestellt, die eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Heizmoduls 500 der 5a zeigt. Dabei ist gut zu sehen, dass die beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 jeweils mechanisch in bzw. an dem Flansch 512 fixiert sind, wobei die Dichtung 514 zwischen dem Flansch 512 und dem Spannstück 516 angeordnet ist. Zentral in der Flanschbaugruppe 510 ist ein Durchgangsloch vorgesehen, das sich sowohl durch das Spannstück 516, die Dichtung 514 sowie den Flansch 512 erstreckt, wobei durch dieses Durchgangsloch eine Schraube 542 geführt ist, die mit einem Schraubenende 543 in das Spannstück 516 eingepresst und dadurch gegen ein Verdrehen gegenüber dem Spannstück 516 gesichert ist. Das dem Schraubenende 543 gegenüberliegende Schraubenende 544 steht aus dem Flansch hervor und ist dort mit einer Mutter 545 versehen. Wenn die Mutter 545 angezogen wird, presst das Spannstück 516 die Dichtung 514 gegen den an den Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 fixierten Flansch 512. Dadurch quillt die Dichtung 514 am Randbereich auf und dichtet sich gegen die Einbauöffnung des Behälters (nicht gezeigt) ab. Es sei angemerkt, dass die Flanschbaugruppe 510 auch so konzipiert sein kann, dass das Spannstück 516 an den Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 fixiert ist und der Flansch 512 beweglich bleibt.
Im Folgenden sollen noch einige Anmerkungen betreffend die Herstellung der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung gemacht werden. Als Träger für die Funktionsschichten der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung eignet sich besonders aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit ein Edelstahlrohr, insbesondere aus einem austinitischen oder ferritischen Edelstahl. Als Grundköper kann aber grundsätzlich ein beliebiges Metallrohr verwendet werden, bei dem gegebenenfalls ein zusätzlicher Korrosionsschutz aufgetragen wird; bevorzugt wird der rohrförmige Grundkörper jedoch aus einem Kaltbandstahlabschnitt gefertigt.
Da sich fertigungstechnisch das Anbringen der Strömungsöffnungen, beispielsweise in der Form von Bohrungen oder Langlöchern, in ein Rohr als zeitaufwendig und arbeitsintensiv gestaltet, hat sich bei der Herstellung für den Grundköper der Dickschicht-Rohr-Heizung als vorteilhaft herausgestellt, den rohrförmigen Grundköper aus einem flachen Materialstreifen, in den die Strömungsöffnungen eingestanzt werden bzw. sind, durch Wickeln und anschließendes formschlüssiges Verbinden der Stoßkanten herzustellen. Dieser Grundköper wird anschließend an dem Rohrende, an dem der Anschlussbereich vorgesehen werden soll, mit einem Deckel verschlossen oder, falls in dem Rohrende der Einbau eines Temperatursensors mit entsprechender hülsenförmigen Gehäuse vorgesehen ist, offen gelassen. Es kann aber auch an dieser Stelle eine entsprechende Hülse, bevorzugt aus demselben Material wie der Grundkörper, anstelle des Deckels angebracht werden.
Bevor auf den rohrförmigen Grundköper die Funktionsschichten der Dickschicht-Rohr-Heizung aufgetragen werden, kann noch ein zusätzlicher vorbereitender Verfahrensschritt eingefügt werden, der darin besteht, die Oberfläche des rohrförmigen Grundköpers durch ein strahlendes, ätzendes oder schleifendes Verfahren geeignet aufzurauen.
Da es sich bei dem bevorzugten Material für den Grundköper um ein Metall handelt, das naturgemäß selber elektrisch leitfähig ist, muss der Grundköper gegenüber dem aufzutragenden Heizleiter elektrisch isoliert werden. Dazu wird im nächsten Schritt eine erste elektrisch isolierende Abdeckschicht, in ihrer Funktion eine Dielektrikumsschicht, auf den Grundköper im Wesentlichen auf die gesamte Oberfläche des Grundkörpers aufgetragen. Für diese erste Abdeckschicht eignen sich beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid, Siliziumoxid oder Mischungen aus den vorhergehenden Materialien (sog. Multicomponents). Schließlich ist auch ein Mehrlagen- bzw. Mehrschichtaufbau denkbar, beispielsweise zur Verbesserung des thermischen Ausdehnungsverhaltens. Mit anderen Worten, die erste Abdeckschicht besteht dann aus mehreren Einzelschichten, die aus unterschiedlichen Keramiken oder aus einer Keramik mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt wird. Bevorzugt wird die erste Abdeckschicht mittels thermischer Spritzverfahren, beispielsweise Plasmaspritzen aufgetragen. Als erste elektrisch isolierende Abdeckschicht und gleichzeitiger Korrosionsschutz eignet sich auch eine Emaille- oder Glasschicht, die beispielsweise mittels einem Siebdruckverfahren, Sprühverfahren oder Micropen-Verfahren aufgebracht werden kann. Auch wurden gute Ergebnisse mit auflaminierten Keramikfolien erzielt.
Um die vorstehend diskutierte Problematik der Rissbildung bei einer Dickschichtheizung in den Funktionsschichten weiter zu vermindern, können an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens Dehnungsfugen in der ersten Abdeckschicht vorgesehen werden, vorzugsweise werden diese Dehnungsfugen so angeordnet, dass diese zwischen den später aufzutragenden Heizleiterbahnen liegen. Die Dehnungsfugen können mittels einem Wasserstrahlschneidverfahren, Laserabtragungsverfahren oder anderen geeigneten mechanischen Verfahren, wie beispielsweise Schleifen, Fräsen, Strahlen (in Schablonentechnik oder direkt angewendet) erzeugt werden. Aber auch chemische Verfahren, wie Ätzen, können zur Anwendung kommen.
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass für den Fall, dass es sich bei der ersten Abdeckschicht um eine poröse Schicht handelt, um eine ausreichende Abdichtung der Stirnflächen der ersten Abdeckschicht gegenüber dem zu erhitzenden Medium im späteren Einsatz sicherzustellen, auch der Bereich rund um die Randlöcher bzw. an den Rohrenden nicht von der ersten Abdeckschicht bedeckt werden sollte. Dies kann erreicht werden, indem die Langlöcher bzw. die Rohrenden vor dem Aufbringen der Dielektrikumsschicht maskiert werden. Aber es ist auch möglich, die erste Abdeckschicht ganzflächig aufzutragen und anschließend mittels einem geeigneten abtragenden Verfahren (Abrasivverfahren) gezielt zu entfernen; hier seien beispielsweise Wasserstrahlschneiden und Laserabtragen genannt, aber auch jedes andere geeignete mechanische Verfahren, wie Schleifen, Fräsen oder Abrasivstrahlen mittels Schablonentechnik oder in direkter Anwendung, kann verwendet werden. Auch chemische abtragende Verfahren, wie Ätzen, sind möglich.
Nach dem Herstellen der ersten Abdeckschicht und ggf. der Dehnungsfugen wird die Heizleiterschicht auf dem rohrförmigen Grundköper aufgebracht. Für die Heizleiterschicht eignen sich grundsätzlich Metalle, Metalllegierungen, Keramik-Metall-Verbundstoffe (sog. Cermets), die mittels einem thermischen Spritzverfahren oder Kaltgasspritzen auf die erste Abdeckschicht aufgetragen werden. Auch wurden erfolgreiche Versuche mittels in Siebdruck aufgebrachten und anschließend gebrannten Widerstandspasten unternommen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass beim Auftragen der Heizleiterschicht die Möglichkeit zur Ausbildung verschiedener Temperaturzonen durch Variation der Heizleiterdicke, Heizleiterbreite oder auch durch Variation des Abstands zwischen den Heizleiterbahnen möglich ist. Durch Ausbilden verschiedener Temperaturzonen können unter Berücksichtigung der späteren Verwendung der Dickschicht-Rohr-Heizung kältere Bereiche ausgebildet werden, die z. B. augrund der Einbaulage zu Kalkansatz neigen oder um bestimmten konstruktiven Zwängen zu entsprechen.
Da die elektrischen Anschlüsse der Heizleiter vorzugsweise an einem Rohrende des rohrförmigen Grundkörpers kontaktierbar vorgesehen werden, wird der Heizleiter bevorzugt bifilar über die Oberfläche des Grundkörpers geführt und daher muss am offenen Rohrende ein Umkehrpunkt vorgesehen werden.
Dieser Aspekt ist in der 6 in einer Detailansicht eines Heizleiterumkehrpunktes 630 auf einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 600 dargestellt. Die Detailzeichnung zeigt das offene Rohrende 602 des rohrförmigen Grundkörpers 601 mit den Heizleiterbahnen 610 und einer Strömungsöffnung 620. An dem Heizleiterumkehrpunkt 630 tritt in der Heizleiterführung zwangsläufig auf sehr kleinem Raum eine 180°-Wendung auf, an der beide Heizleiterbahnen 611, 612 des bifilaren Heizleiters 610 aufeinander treffen. An solchen Heizleiterumkehrpunkten 630 hat sich gezeigt, dass dort deutlich höhere elektrische Stromdichten auftreten, wodurch ein Hotspot entsteht. Dieser Problematik wird durch zusätzliches Auftragen von Leiter(bahn)material 632 an solchen Heizleiterumkehrpunkten 630 (dasselbe ist prinzipiell auch an den Kontaktierungsstellen im Anschlussbereich möglich) entgegengewirkt. Durch diese Maßnahme kann eine wesentliche Verringerung des spezifischen Widerstands der Leiterbahn 610 an solchen Stellen und damit eine deutliche Temperaturreduzierung sichergestellt werden. Als zusätzliches Leiter(bahn)material 632 eignen sich besonders Materialien wie beispielsweise eine Silber/Palladium-Paste, die nach Auftragen der Heizleiterschicht an den Kontaktierungsstellen bzw. den Umkehrpunkten aufgetragen wird, aber auch elektrisch leitfähige Polymere, wie z. B. silbergefülltes Epoxid, oder Metalle bzw. Metalllegierungen, die thermisch aufgespritzt bzw. kaltgasgespritzt werden können.
Nach dem Auftragen der Heizleiterschicht und entsprechender Behandlung der Kontaktierungsbereiche bzw. Umkehrpunkte wird eine zweite Abdeckschicht aufgetragen, für die sich grundsätzlich die im Folgenden geschilderten Materialien bzw. jeweiligen Auftragungsverfahren eignen. Hier können grundsätzlich anorganische und organische Materialien verwendet werden. Beispielsweise eignet sich wieder eine Glasschicht oder Emailleschicht, die mit einem Siebdruck oder elektrostatischen Sprühverfahren, aber auch Micropen-Verfahren, aufgetragen wird. Das Auftragen kann dabei durch Tauchen, Sprühen, Pinseln, Spritzen etc. erfolgen. Keramische Schichten als zweite Abdeckschicht können beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumoxid, Titandioxid oder Mischungen der vorstehenden Materialien bestehen und durch thermisches Spritzen hergestellt werden. Als organische Schichten eignen sich grundsätzlich Silikon, Epoxid, Polyimid, Polyamide, -imide oder dergleichen. Solche Kunststoffschichten können beispielsweise durch Flammspritzen, Tauchen, Sprühen, Pinseln, etc. aufgetragen werden. Es sei angemerkt, dass auch Kombinationen verschiedener Materialien in der Ausführung als Mehrfachschichten zur Anwendung kommen können. Besonders bevorzugt wird auch für die zweite Abdeckschicht eine Glas- oder Emailleschicht.
Abschließend kann die Heizvorrichtung noch mit einer nanostrukturierten dritten Abdeckschicht beschichtet werden, welche die eingangs geforderte Anti-Soiling-Eigenschaft besitzt. Die besonders vorteilhafte Wirkung einer solchen Schicht liegt in der Reduktion der Kochgeräusche bzw. der Verhinderung von Ankalkungen, d. h. Kalkablagerungen. Des Weiteren sind diese Schichten besonders mechanisch beständig. Da die notwendige elektrische Isolation der Heizvorrichtung durch die erste und/oder zweite Abdeckschicht erreicht wird, kann die dritte Abdeckschicht sehr dünn ausgeführt werden; hier haben sich Schichtdicken im Submikrometerbereich als ausreichend erwiesen.
Wie an anderer Stelle schon ausführlich besprochen, besteht ein wichtiger Aspekt für die Praxistauglichkeit der Heizvorrichtung der Erfindung zum einen in der stirnseitigen Abdeckung einer ggf. porösen ersten Abdeckschicht, an den Rohrenden bzw. den Strömungsöffnungen, aber auch ggf. an den Dehnungsfugen zwischen den Heizleitern. Weiter kann es aus Korrosionsschutzgründen erforderlich sein, den rohrförmigen Grundkörper hermetisch wenigstens gegenüber dem zu erhitzenden Medium oder bevorzugt vollständig abzudichten. Hierzu zeigen die 7a bis 7d schematische Detailansichten jeweils eines Schnitts durch den Rohrmantel 701 des rohrförmigen Grundkörpers und die Funktionsschichten, wobei insbesondere das offene Rohrende 702 der Dickschicht-Rohr-Heizung als auch die nächstliegende Strömungsöffnung 730 gezeigt sind.
Der jeweils in den 7a bzw. 7b dargestellte Schichtaufbau betrifft die Ausführung einer Heizvorrichtung der Erfindung, bei der für den rohrförmigen Grundkörper ein korrosionsbeständiges Material verwendet wurde, wie beispielsweise ein legierter Stahl oder eine Keramik. Hier muss der Grundkörper nicht zwingend vollständig gegenüber dem Medium abgedichtet werden.
In der 7a ist das Material, z. B. Glas oder Emaille, für die erste Abdeckschicht 710 zur Isolation des Heizleiters 720 gegenüber dem Rohrmantel 701 selbst dicht gegenüber dem zu erhitzenden Medium. Aus diesem Grund ist hier auf die Abdichtung der Stirnflächen 712 am Rohrende 702 bzw. an den Strömungsöffnungen 730 gegenüber dem Medium verzichtet worden. Schließlich ist der Heizleiter 720 gegenüber dem zu erhitzenden Medium mittels einer zweiten Abdeckschicht 750 elektrisch isoliert und abgedichtet.
Bei der Ausführung, die in 7b gezeigt ist, wurde zusätzlich eine Abdeckung der Stirnflächen 712 der ersten Abdeckschicht 710 vorgesehen, weil diese hier aus einem porösen, d. h. gegenüber dem zu erhitzenden Medium nicht dichten Material beispielsweise einer Keramik besteht. Um diese vollständige Abdeckung der entsprechenden Stirnflächen 712 der ersten Abdeckschicht 710 am offenen Rohrende 702, an den Strömungsöffnungen 730 sowie an den Dehnungsfugen 740 sicherzustellen, kann vor dem Auftragen der zweiten Abdeckschicht 750 mithilfe eines abtragenden Verfahrens sichergestellt werden, dass die erste Abdeckschicht 710 bis auf den Rohrmantel 701 abgetragen ist. Dies ist beispielsweise durch Laserabtragen, Wasserstrahlschneiden, Ätzen, Fräsen oder Abrasivstrahlen (mit Schablonen oder im direkten Verfahren) möglich. Dies kann gleichzeitig mit der Fertigung der Dehnungsfugen 740 erfolgen.
Der jeweils in den 7c bzw. 7d dargestellte Schichtaufbau betrifft die Ausführung einer Heizvorrichtung der Erfindung, bei der für den rohrförmigen Grundkörper ein korrosionsanfälliges Material verwendet wurde, wie z. B. ein unlegierter Stahl. Daher ist bei diesen Ausführungen der Grundkörper gegenüber dem Medium vollständig durch die zweite Abdeckschicht 750 abgedichtet worden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen sowohl die erste Abdeckschicht 710 als auch die zweite Abdeckschicht 750 aus einer Emaille- bzw. einer Glasschicht (nicht gezeigt). In den 7c und 7d ist weiter gut zu erkennen, dass die zweite Abdeckschicht 750 den Rohrmantel 701, die erste Abdeckschicht 710 sowie den Heizleiter 720 vollständig nach außen hin abdichtet und elektrisch isoliert.
Schließlich ist in den 7a bis 7d auch der Querschnitt des Heizleiterumkehrpunktes 724 Schichtaufbau zu erkennen (in den 7a und 7d mit Bezugszeichen versehen). Dabei sind die beiden zu dem Heizleiterumkehrpunkt 724 hinführenden bzw. wegführenden Heizleiter 721, 722 zu erkennen, die beide mit Leiterbahnmaterial 727 (in etwa der gleichen Schichtdicke wie der Heizleiter 720) miteinander verbunden und mit einer zusätzlichen Schicht Leiterbahnmaterial 728 beschichtet sind. Durch diese Maßnahme wird der elektrische Widerstand des Heizleiterumkehrpunkts 724 deutlich niedriger eingestellt als an den übrigen Stellen des Heizleiters 720. Damit kann an dieser Stelle im Betrieb kein Hotspot auftreten. Als zusätzliches Leiterbahnmaterial 728 kann beispielsweise bei der Herstellung eine Silber/Palladium-Paste verwendet werden.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung besteht in der Möglichkeit, die elektrische Wärmeleistung bei der Fertigung individuell, d. h. z. B. entsprechend der jeweilig geplanten Anwendung bzw. Einbaulage in der Anwendung, anpassen zu können. Dabei stehen bei der Dickschicht-Rohr-Heizung der Erfindung zwei verschiede Ansätze zur Verfügung. Einmal ist es möglich, die Heizleiterschicht auf der Dielektrikumsschicht vollflächig ohne Strukturierung aufzubringen und anschließend durch ein abtragendes Verfahren die Heizleiterschicht entsprechend den Anforderungen zu strukturieren. Diese Strukturierung kann durch Abrasivtechniken beispielsweise durch Laserstrukturieren, Wasserstrahlschneiden, Abrasivstrahlen, Ätzen, Fräsen sowie Schleifen erfolgen.
Eine zweite Möglichkeit die elektrische Leistung der Heizleiterbahn einzustellen besteht darin, die Heizleiterschicht mit der gewünschten Struktur direkt aufzutragen. Dafür eignen sich Schablonentechniken, bei denen beispielsweise eine Maske durch Aufbringen eines Antihaftmaterials mittels Siebdruck auf die erste Abdeckschicht, wobei anschließend auf den nicht maskierten Bereichen das Heizleitermaterial aufgetragen wird. Es ist jedoch auch möglich durch ein direktes strukturierendes Beschichten ohne Schablone, beispielsweise mit einem feinen Beschichtungsstrahl oder automatisierten Handlingsystemen, die Heizleiterschicht aufzutragen. Dabei kann die Auftragbreite beispielsweise über die Variation des Abstandes der Strahldüse gegenüber der ersten Abdeckschicht gesteuert werden.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass neben der hier hauptsächlich geschilderten Ausführungsform mit einer einzigen bifilaren Heizleiterbahn auch Multitracking verwendet werden kann, wobei beispielsweise vier elektrisch parallel geschaltete einzelne Heizleiterbahnen anstelle einer einzelnen Leiterbahn über dem Grundköper geführt werden. Der Vorteil besteht dabei darin, dass festgestellt wurde, dass sich hierdurch im Betrieb der Heizvorrichtung weiter das Auftreten von Hotspots durch Anlagerungen von Fremdstoffen vermeiden lassen. Zusätzlich ist bei Ausfall einer einzelnen Heizleiterbahn der Betrieb der Dickschicht-Rohr-Heizung weiter – mit entsprechend geringerer Wärmeleistung – möglich. Weiter ist es auch möglich, mehrere einzeln im Anschlussbereich kontaktierbare Heizleiter auf dem Grundkörper vorzusehen.
Schließlich kann die elektrische Leistung der Heizvorrichtung auch bzw. zusätzlich über Widerstandstrimmen eingestellt werden. Dabei wird der elektrische Widerstand und damit die in der Heizleiterbahn umgesetzte Wärmeleistung über Einstellen der Heizleiterbahnbreite bzw. Heizleiterbahndichte vorgenommen. So kann das Widerstandstrimmen über die Bahnbreite des Heizleiters folgendermaßen durchgeführt werden: Zuerst wird die Heizleiterbahn mit einer ausreichenden Breite und Dicke auf dem vorbereiteten Grundkörper strukturiert, anschließend wird der elektrische Widerstand des Heizleiters gemessen, hieraus kann der aktuelle Quotient aus dem spezifischen Widerstand des Heizleiters und dem Querschnitt und damit die aktuell notwendige Leiterbahnbreite berechnet werden. Diese berechnete Breite wird abschließend durch entsprechendes Abtragen von Heizleiterbahnmaterial eingestellt. Als alternative Vorgehensweise ist das Widerstandstrimmen über die Heizleiterbahndicke möglich: Hierbei wird zuerst die Heizleiterbahn mit einer ausreichenden Dicke und Breite auf dem vorbereiteten Grundkörper strukturiert, anschließend wird der elektrische Widerstand des Heizleiters gemessen und durch so genanntes „Mikroschmieden" der Heizleiteroberfläche ohne abtragende (abrasive) Wirkung unter gleichzeitiger Messung des aktuellen Widerstands wird der gewünschte elektrische Widerstand eingestellt.
Hinsichtlich der Temperaturüberwachung bei der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung sei angemerkt, dass hier zwei Aspekte von Interesse sind. Zum einen soll im Betrieb die Heizleistung in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur des zu erhitzenden Mediums geregelt werden können. Aber andererseits soll auch eine Überwachung der Heizleitertemperatur erfolgen, um einen anormalen Betrieb erkennen zu können und ggf. die Zufuhr elektrischer Energie zu dem Heizleiter zu unterbrechen. Zur Temperaturregelung kann bei der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung besonders vorteilhaft ein Temperatursensor in SMD-Bauform an jeder gewünschten Stelle, d. h. im trockenen oder auch nassen Bereich, vorgesehen werden. An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass dies sowohl auf der Außenfläche als auch der Innenfläche des rohrförmigen Grundkörpers denkbar ist. Ebenso können Sicherungselemente zur Absicherung des Heizleiters gegen Überhitzung unmittelbar neben oder auf einer aktiven Heizleiterbahn vorgesehen werden. Auch hier eignen sich grundsätzlich Sensorbauteile in SMD-Ausführung. Es können aber auch Dickschichtsicherungen an der jeweils gewünschten Stelle auf der Oberfläche der Dickschicht-Rohr-Heizung im vorstehend geschilderten Herstellungsverlauf mittels Siebdruck bzw. Plasmaspritzen integriert werden.
Für die Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse des Heizleiters bzw. der elektrischen Anschlüsse der an der Dickschicht-Rohr-Heizung integrierten Sensorelemente können die oben beschriebenen Anschlusssteckteile mit entsprechend geeigneter Kontaktierung auf den Anschlussbereich des Rohrs aufgeschoben werden. Dabei kann die Temperaturregelung bzw. Temperaturüberwachung und der Leitungsteil getrennt voneinander oder in einem Steckteil integriert ausgeführt werden. Zum Verbinden der Anschlüsse mit den Anschlussstellen auf der Dickschicht-Rohr-Heizung eignen sich Verfahren wie Weichlöten, Reibschweißen, Ultraschallschweißen oder Laserschweißen. Aber auch eine Kontaktierung über geeignete Federkontakte ist möglich.
Abschließend seien nochmals anhand einer perspektivischen Darstellung eines Heizmoduls 800 mit einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung in der 8 die wesentlichen Vorteile, die sich aus dem erfindungsgemäßen Aufbau ergeben, zusammengefasst. Dargestellt ist ein Heizmodul 800 mit dem rohrförmigen Grundkörper 801, der sich funktional in den Heizbereich 810 und den Anschlussbereich 820 aufteilt. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit mittels einer Dichtung 870 zwischen dem Heizbereich 810 und dem Anschlussbereich 820, eine einfache Montage des Heizmoduls 800 zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass anstelle der (Kegel-)Dichtung auch andere standardisierte Einbaumaßnahmen vorgesehen sein können. Am rechten Ende des Heizbereichs 810, in dem der Heizleiter 840 bifilar über den rohrförmigen Grundkörper 801 verläuft, befindet sich das offene Rohrende 802, in dem die Strömungsöffnungen 830 zu erkennen sind. Die rohrförmige Ausführung der Heizung mit dem offenen Rohrende 802 und den Strömungsöffnungen 830 stellt einen wesentlichen Vorteil dar, da durch diese Bauart gegenüber den herkömmlichen Rohrheizkörpern eine Reduzierung des verdrängten Volumens des zu erhitzenden Mediums von ca. 25 % erreicht wird. Zusätzlich wird hierdurch eine besonders effektive Wärmeübertragung auf das zu erhitzende Medium und somit eine schnellere Erhitzung als mit herkömmlichen Rohrheizkörpern erreicht. Weiter eignet sich der rohrförmige Aufbau der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung hervorragend für die direkte Integration von Temperatursensorelementen 862, 864 aber auch anderen Sensoren (Drucksensoren, Verschmutzungssensoren etc.) in SMD-Ausführung sowohl innerhalb, d. h. im Heizbereich 810, als auch außerhalb des zu erhitzenden Mediums, d. h. im Anschlussbereich 820, sowie zur Überwachung und Absicherung des Heizleiters 840. Vorteilhaft ist auch, dass im Anschlussbereich am geschlossenen Rohrende 804 besonders einfach ein Anschlussgehäuse 850 mit RAST-Steckern 852, 854 vorgesehen werden kann, die einen einfachen und sicheren Anschluss des Heizleiters 840 und auch der Temperatursensorelemente 862, 864, die zur Temperaturüberwachung des zu erhitzenden Mediums und zur thermischen Absicherung bzw. Überwachung des Heizleiters 640 dienen, ermöglichen. Durch die deutliche Reduzierung der Bestandteile der Dickschicht-Rohr-Heizung gegenüber einem herkömmlichen Rohrheizelement – beispielsweise gezeigt in der 1 – wird eine erhebliche kürzere Fertigungszeit erreicht. Dies führt zu nicht unerheblichen Kosteneinsparungen aufseiten des Herstellers und stellt damit einen deutlichen Wettbewerbsvorteil dar. Letztlich besitzt die erfindungsgemäße Dickschicht-Rohr-Heizung aufgrund der vorgesehenen zweiten bzw. dritten Abdeckschicht einen besonders effektiven Schutz gegen Verkalken und Anbacken organischer Stoffe, wodurch sich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung deutlich gegenüber den bekannten Rohrheizkörpern erhöht.

Claims

Elektrische Heizvorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Mediums, aufweisend einen wenigstens im Bereich eines ersten Rohrendes verschlossenen rohrförmigen Grundkörper (201), der einen Heizbereich mit einer Vielzahl von Strömungsöffnungen (230) und wenigstens auf einer Innenfläche (214) oder einer Außenfläche (212) wenigstens eine Heizleiterbahn (240) in Form einer strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen (252, 254), die in einem Anschlussbereich ausgeführt und kontaktierbar sind, aufweist, wobei sowohl die wenigstens eine Heizleiterbahn (240) als auch der Grundkörper (201) mittels einer Abdeckschicht wenigstens im Heizbereich elektrisch isoliert sowie gegenüber dem Medium dicht aufgetragen ist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei zusätzlich wenigstens ein elektrisches Sensorelement (260) isoliert auf der Innenfläche (214) oder der Außenfläche (212) des Grundkörpers (201) angeordnet ist, dessen elektrische Anschlüsse vorzugsweise in dem Anschlussbereich angeordnet und kontaktierbar sind.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei ein erstes Sensorelement ein Temperatursensor ist, der unmittelbar neben oder auf der wenigstens einen Heizleiterbahn elektrisch isoliert angeordnet ist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein zweites Sensorelement ein Sicherungselement ist, das in die wenigstens eine Heizleiterbahn geschaltet ist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Sensorelement ein „surface mounted device"-Bauteil ist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsöffnungen Rundlöcher bzw. Langlöcher sind.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsöffnungen in regelmäßigem Abstand über den gesamten Heizbereich vorgesehen sind.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwischen dem Grundkörper und der Heizleiterschicht eine erste elektrisch isolierende Abdeckschicht angeordnet ist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei in der ersten Abdeckschicht zwischen den Heizleiterbahnen der Widerstands-Heizleiterschicht Dehnfugen vorgesehen sind.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizvorrichtung wenigstens gegenüber dem Medium mit einer zweiten elektrisch isolierenden und gegenüber dem Medium dichten Abdeckschicht versehen ist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die zweite Abdeckschicht weiter mit einer dritten Abdeckschicht mit Nanostruktureigenschaften beschichtet ist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die zweite Abdeckschicht zusätzlich Nanostruktureigenschaften aufweist.
Heizvorrichtung gemäß den Ansprüchen 8 bis 12, wobei die erste Abdeckschicht an den Dehnfugen, den Strömungsöffnungen sowie wenigstens an dem offenen Rohrende des Grundkörpers stirnseitig mit der zweiten Abdeckschicht versehen ist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterbahn an Umkehrpunkten und im Anschlussbereich gegenüber der restlichen Heizleiterbahn einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei die Heizleiterbahn an Umkehrpunkten und im Anschlussbereich aus einem Widerstandsmaterial mit höherer Leitfähigkeit als die restliche Heizleiterbahn besteht oder dort auf der Heizleiterbahn mehr oder ein zusätzliches Heizleitermaterial vorgesehen ist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundelement wahlweise aus Metall, vorzugsweise aus einem austenitischen oder einem ferritischen Edelstahl, einer Keramik oder einem Verbundstoff davon besteht.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 15, wobei die erste Abdeckschicht aus Aluminiumdioxid (AlO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Titanoxid (TiO₂), Siliziumoxid (SiO₂), oder einer Mischung davon besteht.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 15, wobei die erste Abdeckschicht und/oder zweite Abdeckschicht aus Emaille oder Glas besteht.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 15, wobei die dritte Abdeckschicht aus Titanoxid (TiO₂), Antimonzinnoxid ((Sb)SnO₂), Indiumzinnoxid ((In)SnO₂), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Ceroxid (CeO₂), Titanoxid-Siliziumoxid (TiO₂-SiO₂) oder einer Mischung davon besteht.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizleiterschicht aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Keramik-Metall-Verbundstoff besteht.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heizbereich verschiedene Temperaturzonen durch Variation der Heizleiterdicke, Heizleiterbreite oder des Abstands zwischen den Heizleitern aufweist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolation der elektrischen Widerstands-Heizleiterschicht gegenüber dem Medium als auch gegenüber dem Grundkörper eine Hochspannungsfestigkeit von wenigstens 1250VAC, vorzugsweise 3750VAC, einen maximalen Ableitstrom von 0,75mA, vorzugsweise 0,25mA, eine chemische Stabilität gegenüber dem Medium in einem PH-Bereich von 7 bis 10, vorzugsweise 5 bis 10 und eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/mK, vorzugsweise von 10 bis 50W/mK aufweist.
Heizmodul mit einer Heizvorrichtung oder mehreren Heizvorrichtungen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, wobei die eine Heizvorrichtung oder die mehreren Heizvorrichtungen in eine Dichtung integriert ist, wobei die Dichtung zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich an der jeweiligen Heizvorrichtung eine um den jeweiligen Grundkörper angeordnet ist.
Heizmodul gemäß Anspruch 23, wobei das Heizmodul eine Flanschbaugruppe mit wenigstens einem Flansch, einem Spannstück und der dazwischen angeordneten Dichtung aufweist, wobei die wenigstens zwei Heizvorrichtungen entweder an dem Flansch oder dem Spannstück fixiert sind.
Heizmodul gemäß einem der Ansprüche 22 oder 24, wobei für eine elektrische Kontaktierung der wenigstens einen Heizvorrichtung und gegebenenfalls des wenigstens einen Sensorelements ein Anschlusssteckteil vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 22 mit den Schritten: – Herstellen eines an wenigstens einem Rohrende verschlossenen rohrförmigen Grundkörpers mit Strömungsöffnungen in einem Heizbereich; – Aufbringen einer ersten elektrisch isolierenden Abdeckschicht auf den Grundkörper; – Aufbringen einer Heizleiterstruktur auf die erste Abdeckschicht; und – Aufbringen einer zweiten elektrisch isolierenden und mediumsdichten Abdeckschicht auf die Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß Anspruch 26, zusätzlich mit Aufbringen einer dritten nanostrukturierten Abdeckschicht über der zweiten Abdeckschicht.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei die Mantelfläche des rohrförmigen Grundkörpers aus einem die Strömungsöffnungen aufweisenden Materialstreifen hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche Anspruch 26 bis 28, wobei die erste Abdeckschicht mittels einem thermischen Spritzverfahren, einem Siebdruckverfahren, einem Sprühverfahren, einem Micropen-Verfahren oder durch Auflaminieren aufgetragen wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche Anspruch 26 bis 29, wobei die Heizleiterstruktur mittels einem thermischen Spritzverfahren oder einem Kaltgasspritzverfahren aufgetragen wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß Anspruch 30, wobei die Heizleiterstruktur durch Laserstrukturierung, Wasserstrahlschneiden, Abrasivstrahlen, Ätzen, Fräsen oder Schleifen einer vollflächig aufgetragenen Heizleiterschicht erzeugt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche Anspruch 26 bis 29, wobei die Heizleiterstruktur durch eine Schablonetechnik oder ein direkt strukturierendes Beschichten erzeugt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung gemäß einem der Ansprüche Anspruch 26 bis 32, wobei zwischen den einzelnen Beschichtungsschritten ein Einbrennschritt erfolgt.