DE102007020531A1 - Heißlufteinrichtung mit einem im Luftstrom angeordneten Heizelement - Google Patents
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Abstract
Heißlufteinrichtung (1) mit einem im Luftstrom angeordneten Heizelement (2), wobei das Heizelement (2) aus hitzebeständigem keramischen Material in einem metallischen Gehäuse (3) angeordnet und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist und der Luftstrom stirnseitig auf das Heizelement (2) auftrifft, durch das Heizelement (2) erwärmt und am anderen Ende stirnseitig aus dem Heizelement austritt, wobei das Heizelement (2) aus einem für den Luftstrom porenhaltigen halbleitenden keramischen Material ausgebildet ist, welches elektrische Kontakte (10) zum Anschluss an eine Energiequelle aufweist und mittels des über das Heizelement (2) fließenden Stromes direkt beheizbar ist, so dass der in axialer Richtung durchfließende Luftstrom beim Durchgang sich erhitzt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heißlufteinrichtung mit einem im Luftstrom angeordneten Heizelement, wobei das Heizelement aus hitzebeständigem keramischem Material in einem metallischen Gehäuse angeordnet und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist und der Luftstrom stirnseitig auf das Heizelement auftrifft, durch das Heizelement erwärmt und am anderen Ende stirnseitig aus dem Heizelement austritt.
- Derartige Heißlufteinrichtungen sind allgemein bekannt und als Heißluftgeräte, Heißluftmodule oder -systeme auf dem Markt erhältlich. Das in dem Luft- oder Gasstrom angeordnete Heizelement befindet sich in der Regel in einem Heizrohr, an dessen einem Ende beispielsweise Luft oder Gas eingeblasen wird. Diese Heißlufteinrichtungen gibt es mit verschiedenen Arten der Luft- oder Gasstromerzeugung. Es gibt Geräte, bei denen direkt ein Gebläse in dem Gehäuse der Heißlufteinrichtung angeordnet ist, genauso wie Geräte mit einer externen Luftstromerzeugung. Am anderen Ende des Gehäuses, an dem die Heißluft austritt, können üblicherweise verschiedene Düsen angeordnet werden.
- Bei den bekannten Heißlufteinrichtungen befindet sich in dem Heizrohr ein Heizelement das Luftkanäle aufweist, in denen Heizdrähte angeordnet sind, um den durch die Luftkanäle bewegten Luftstrom zu erwärmen. Diese Heizelemente haben den Nachteil, dass zusätzlich Heizwendeln eingebracht werden müssen.
- Mittlerweile ist ein keramisches Material bekannt, das als Schaumkeramik bezeichnet wird und aus einer Vielzahl von Poren besteht. Dieses Material ist siliziumhaltig und eignet sich unter anderem auch für die Anwendung als Partikelfilter in aggressiven Atmosphären. Eine derartige Schaumkeramik und deren Herstellung ist beispielsweise in
DE 100 446 56 A1 ,DE 196 216 038 A1 oderDE 197 27 115 A1 beschrieben. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Heißlufteinrichtung vorzuschlagen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Heißlufteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Gemäß der Empfindung weist die Heißlufteinrichtung ein Heizelement aus einem für den Luftstrom porenhaltigen halbleitenden keramischen Material auf. Das Heizelement weist elektrische Kontakte zum Anschluss an eine Energiequelle auf und ist mittels des über das Heizelement fließenden Stromes direkt beheizbar, so dass der in axialer Richtung durchfließende Luftstrom beim Durchgang sich erhitzt.
- Eine derartige Heißlufteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Heizelement einen geringeren Luftwiderstand als bisherige Heizelemente aufweist und mit dem Heizelement eine bessere Wärmeverteilung realisiert werden kann, da die durch das Heizelement die durchdringende Luft besser verwirbelt wird.
- Das porenhaltige halbleitende keramische Material kann entsprechend den Anforderungen mit verschieden großen Poren ausgebildet sein, wobei auch der Widerstandswert durch das Material entsprechend anpassbar ist. Die Kontaktierung des Heizelements kann durch elektrische Kontakte, die entweder bei der Herstellung direkt mit dem keramischen Material verbunden werden oder auch durch Aufbringen entsprechender leitfähiger Schichten auf der Oberfläche realisiert werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist das Heizelement einstückig ausgebildet, so dass die Montage vereinfacht wird. In besonderen Anwendungsfällen kann jedoch das Heizelement aus einzelnen Scheiben bestehen, die zum Zweck der gezielten Stromführung und zur Verlängerung der Strombahn elektrisch in Reihe geschaltet sind.
- Grundsätzlich besteht bei der Verwendung eines derartigen Heizelements das Problem, dass die erforderliche Leistung auf kleinstem Raum zur Verfügung gestellt werden soll, da die Heißlufteinrichtungen häufig in den Händen gehalten werden müssen und aus diesem Grunde gewichtsmäßig leicht ausgestattet sein sollen. Die Ausbildung der Keramik wirkt direkt auf die Leistung des Heizelements, da durch größere Poren ein größerer elektrischer Widerstand entsteht. Andererseits besteht wiederum auch die Gefahr, dass bei einem zu geringen elektrischen Widerstand das Keramikbauteil überhitzt und infolgedessen zerstört wird.
- Gemäß einer Ausbildung ist nach dem Heizelement eine Durchmischungskammer angeordnet, in die aus dem Heizelement austretende Luft vor dem Austritt aus dem metallischen Gehäuse auf eine einheitliche Temperatur gebracht wird. Da häufig die aus dem Heizelement austretende Luft hinsichtlich ihrer Temperatur unterschiedlich ist, ist es wünschenswert dafür zu sorgen, dass beim Austritt aus der Heißlufteinrichtung diese Luft über den Querschnitt des Luftstromes gleichmäßig erwärmt ist. Hierzu dient eine derartige Mischeinrichtung, die einerseits in Form einer Prallplatte, an der der Luftstrom seitlich vorbeiströmen muss, oder durch ein porenhaltiges keramisches Material realisiert werden kann. Das porenhaltige keramische Material wird dabei auf eine mittlere Temperatur aufgeheizt und sorgt für eine gleichmäßige Luftverteilung. Zusätzlich kann in diesem Bereich ein Temperatursensor angeordnet werden, um die mittlere Temperatur zu erfassen. Dies geschieht vorzugsweise bei einer Mischeinrichtung aus einem porenhaltigen keramischen Material durch Erfassen der Temperatur über einen über die Oberfläche fließenden Strom. Dabei wird die mittlere Temperatur erfasst. Hierzu ist die Oberfläche mittels einer elektrisch leitenden Beschichtung zu versehen.
- Zur Übertragung des elektrischen Stromes auf das keramische Material des Heizelements ist vorteilhafterweise in Strömungsrichtung vor dem keramischen Material eine erste netzartige metallische Elektrode und nach dem keramischen Material eine zweite netzartige metallische Elektrode angeordnet, deren Maschen den Durchtritt der Luft nicht behindern. Vorzugsweise sind die Elektroden bereits in das keramische Material eingebettet. Dadurch kann der Luftstrom, durch die Elektroden nicht behindert, durch das Heizelement und dessen Poren hindurchströmen. Durch das Einbetten der Elektroden während der Herstellung des keramischen Materials ist eine optimale Kontaktierung gewährleistet.
- Die Einbettung in das keramische Material gilt selbstverständlich auch für andere Elektroden, die beispielsweise am radialen Umfang des Heizelements oder auch stirnseitig als hochkant stehende Flachelektroden in das keramische Material eingebettet sein können. Gemäß einer Ausbildung der Erfindung weist das Heizelement eine sich in Längsrichtung erstreckenden, vorzugsweise zentralen metallischen Kontaktstift auf, der als ersten Elektrode dient. Am Umfang angreifende metallische Kontaktflächen bilden die zweite Elektrode. Die Elektroden sind vorteilhafterweise stirnseitig kontaktierbar und mit einer Energiequelle verbindbar.
- Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung weist das Heizelement zwei voneinander beabstandete Kontaktflächen, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind und zwischen denen das keramische Material angeordnet ist, auf. Dabei ist der Abstand derart gewählt, dass der elektrische Widerstand über die Oberfläche des keramischen Materials höher ist als durch das keramische Material, um einen Stromfluss entlang und über die Oberfläche zu vermeiden. Vorzugsweise können die Kontaktflächen als in der Oberfläche in eine Nut eingelegte metallische Streifen, flexible metallische Matten oder als aufgedampfte Metallflächen oder entsprechende geeignete flächige Kontakte ausgebildet sein.
- Gemäß einer weiteren Ausbildung der Heißlufteinrichtung weist das Heizelement Einschnitte zur Erzeugung eines vorgegebenen Stromweges auf, um diesen entsprechend den Erfordernissen zu verlängern, damit eine ausreichende Erwärmung während des Durchtritts des Luftstromes erfolgt. Dazu kann das Heizelement spiralförmige Einschnitte aufweisen, die sich um die zentrale Längsachse winden. In ihrer Ausbildung kann es hier jedoch zweckmäßig sein, mindestens zwei Einzelelemente zu verwenden, die in ihrer Drehrichtung verdreht gegeneinander gesetzt sind, um den Luftstrom durch die Poren zu zwingen.
- In einer anderen Ausbildung ist das Heizelement rohrförmig ausgebildet und weist einen Kern aus einem luftundurchlässigen elektrisch isolierenden Material auf, so dass der Luftstrom in Längsrichtung durch die Rohrwandung aus dem porenförmigen Material gezwungen wird und dabei erwärmt wird.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
-
1 die perspektivische Ansicht einer Heißlufteinrichtung in Form eines Handschweißgerätes mit einem Gehäuse, das austrittsseitig als Rohr ausgebildet ist und in dem sich das Heizelement befindet; -
2 eine Schnittdarstellung durch das Gehäuse mit einem schematisch angedeuteten Heizelement und einer am stirnseitigen Ende angeordneten Verwirbelungskammer mit einem zweiten keramischen Teil das der Luftverwirbelung dient und gleichzeitig einen Sensor aufweist; -
3 ein Heizelement aus porenhaltigem keramischem Material mit zwei an beiden Stirnseiten angeordneten eingebetteten netzartigen Elektroden; -
4 ein Heizelement aus einem porenhaltigen keramischen Material mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden zentralen metallischen Kontaktstift und einer am Umfang angeordneten Elektrode; -
5 ein Heizelement mit zwei voneinander beabstandete Kontaktflächen am Umfang, wobei die Kontaktflächen in einer Nut eingebettet sind; -
6 die perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen keramischen Einzelelements mit vom Umfang einlaufenden Einschnitten zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompfades mit an der Stirnseite angeordneten Elektroden; -
7 die perspektivische Ansicht eines Heizelementes mit in Längsrichtung verlaufenden Einschnitten und einer Kontaktierung an der zentralen Achse und am Umfang; -
8 die perspektivische Ansicht eines Heizelements mit in Längsrichtung sich erstreckenden Einschnitten zur Erzeugung eines vorgegebenen Stromweges von einer am Umfang angeordneten Elektrode zu der anderen; -
9 die perspektivische Ansicht eines Heizelements bestehend aus mehreren Einzelelementen gemäß7 , die elektrisch in Reihe und am Umfang elektrisch kontaktiert sind; -
10 die Stirnansicht eines Heizelementes mit einem spiralförmigen Aufbau, wobei die Kontaktierung außen und innen erfolgt; -
11 ein rohrförmig ausgebildetes Heizelement mit spiralförmigen Schlitzen und einem Kern aus luftundurchlässigem elektrisch isolierendem Material mit einem Temperatursensor im Kern. - Die
1 zeigt eine erfindungsgemäße Heißlufteinrichtung1 in Form eines Handschweißgerätes, mit einem im Luftstrom angeordneten Heizelement2 , wobei das Heizelement2 aus hitzebeständigem keramischem Material in einem metallischen Gehäuse3 angeordnet und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist. - Das Heizelement
2 wird von einem Gebläse4 stirnseitig mit einem Luftstrom beaufschlagt, der durch das Heizelement2 erwärmt und an einem Austrittsgitter5 an einem anderen Ende stirnseitig aus dem Heizelement2 austritt. Das Gehäuse3 ist austrittsseitig als Rohr6 ausgebildet ist, in dem sich das Heizelement2 befindet. - In
2 ist das Rohr6 des Gehäuses3 mit einem schematisch angedeuteten Heizelement2 dargestellt, das aus einem ersten elektrisch angeschlossenen und beheizten Keramikteil30 und einen daran anschließenden zweiten Keramikteil8 aus einem luftdurchlässigen keramischen Material, vorzugsweise aus einem porenhaltigen keramischen Material, zusammengesetzt ist. Das zweite Keramikteil8 , das als Luftverteiler wirkt, ist stirnseitig vor einem Austrittsgitter5 des Rohres6 vorgesehenen Verwirbelungskammer7 angeordnet, in der die aus dem beheizten Teil30 austretende erhitzte Luft verwirbelt wird. Die Verwirbelungskammer7 weist noch ein Temperatursensor9 zur Temperaturerfassung und Temperaturregelung der Heißluft auf. In der Verwirbelungskammer7 wird die aus dem Heizelement2 austretende erhitzte Luft vor dem Austritt aus dem metallischen Gehäuse3 auf eine einheitliche Temperatur gebracht. Das zweite Keramikteil8 ist durch ein porenhaltiges keramisches, insbesondere halbleitendes Material realisiert, das dazu auf eine mittlere Temperatur aufgeheizt wird. Der Temperatursensor9 zur Erfassung der mittleren Temperatur des Luftstrom ist Teil des zweiten Keramikteils8 . Die elektrischen Leitungen zu dem Sensor9 und für die Stromversorgung der Keramikteile8 ,30 sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Heizwiderstand2 weist elektrische Kontakte10 zum Anschluss an eine Energiequelle auf. Er ist mittels des über die leitfähige Keramik fließenden Stromes direkt beheizbar, so dass sich der in axialer Richtung durchfließende Luftstrom beim Durchgang erhitzt. - In den
3 bis11 sind unterschiedlich ausgestaltete Heizwiderstände2 dargestellt. -
3 zeigt ein Heizelement2 aus einem solchen porenhaltigem keramischem Material mit zwei an beiden Stirnseiten11 ,11' angeordneten eingebetteten netzartigen Elektroden12 , von den Anschlussleitungen13 hin zu den elektrischen Kontakten10 des Heizwiderstandes2 führen. - In
4 zeigt ein weiteres Heizelement2 aus einem porenhaltigen keramischen Material mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden zentralen metallischen Kontaktstift14 und einer am Umfang angeordneten rohrförmigen Elektrode15 . -
5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Heizelementes2 , mit zwei voneinander beabstandeten Kontaktflächen16 am Umfang, wobei die Kontaktflächen16 in einer Nut17 eingebettet sind. -
6 offenbart in einer perspektivischen Ansicht ein keramisches Heizelement2 mit vom Umfang einlaufenden Einschnitten18 zur Erzeugung eines vorgegebenen Strompfades, mit an der Austrittseite stirnseitig angeordneten Elektroden19 . Die Einschnitte18 sind über den Umfang des Heizelementes2 gleichmäßig verteilt, wobei aufeinander folgende Einschnitte18 jeweils an sich gegenüberliegenden Stirnseiten11 ,11' beginnen und jeweils vor der entsprechend gegenüberliegende Stirnseite11' bzw.11 enden. Sie erstrecken sich in radialer Richtung vom Außenumfang bis zu einer Kernloch20 . Die Stege21 aus leitfähigen Keramikmaterial, die von den Einschnitte18 bestimmt sind, bilden einen mäanderförmigen Muster, das den Stromlaufpfad verlängert. Der Heizstrom fließt dabei größtenteils in Längsrichtung des Heizwiderstandes2 , jedoch unter mehrmaliger Richtungsänderung. -
7 lehrt ein Heizelement2 mit in Längsrichtung verlaufenden Einschnitten22 , die parallel zueinander verlaufen und mit einer Mittelelektrode23 an der zentralen Achse des Heizelementes2 und mit zwei sich gegenüber liegenden Außenelektroden24 am Umfang. Der Strompfad fließt dabei auf zwei spiegelbildlich ausgebildeten Strompfaden, jeweils von einer Außenelektrode24 mäanderförmig zu der Mittelelektrode23 . -
8 zeigt in perspektivischer Ansicht das Heizelement2 gemäß7 , jedoch ohne die zentrale Mittelelektrode23 , so dass nur ein Strompfad vorhanden ist. Der vorgegebenen Stromweg erstreckt sich in Wellen von einer am Umfang angeordneten Elektrode24 zu der anderen. - In
9 weist ein Heizelement2 aus, das aus mehreren Heizelementen gemäß7 besteht, wobei die Einzelelemente29 , die vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet sind, elektrisch in Reihe geschaltet und am Umfang und zentral elektrisch kontaktiert sind. Es ist auch möglich, mehrere scheibenförmig ausgebildete Heizelemente2 gemäß8 zu verwenden, und diese allein am Umfang zu kontaktieren. - In
10 Figur ist die Stirnansicht eines Heizelementes2 mit einem spiralförmigen Aufbau dargestellt, wobei die Kontaktierung außen und innen entlang den Längskanten25 der Spirale erfolgt. Dazu sind entsprechende Elektroden26 an den Kanten25 vorgesehen. Das Heizelement2 weist spiralförmige Einschnitte27 auf, die sich um die zentrale Längsachse winden. - In
11 zeigt ein rohrförmig ausgebildetes Heizelement2 mit ebenfalls spiralförmigen Einschnitten27 und einem Kern28 aus luftundurchlässigem elektrisch isolierendem Material. Das Heizelement weist außerdem einen Temperatursensor9 im Kern28 auf. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10044656 A1 [0004]
- - DE 196216038 A1 [0004]
- - DE 19727115 A1 [0004]
Claims (17)
- Heißlufteinrichtung (
1 ) mit einem im Luftstrom angeordneten Heizelement (2 ), wobei das Heizelement (2 ) aus hitzebeständigem keramischen Material in einem metallischen Gehäuse (3 ) angeordnet und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist und der Luftstrom stirnseitig auf das Heizelement (2 ) auftrifft, durch das Heizelement (2 ) erwärmt und am anderen Ende stirnseitig aus dem Heizelement (2 ) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2 ) aus einem für den Luftstrom porenhaltigen halbleitenden keramische Material ausgebildet ist, welches elektrische Kontakte (10 ) zum Anschluss an eine Energiequelle aufweist und mittels des über das Heizelement (2 ) fließenden Stromes direkt beheizbar ist, so dass der in axialer Richtung durchfließende Luftstrom beim Durchgang sich erhitzt. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (
2 ) einstückig ausgebildet ist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Heizelement (
2 ) eine Durchmischungskammer (7 ) angeordnet ist, in die aus dem Heizelement (2 ) austretende Luft vor dem Austritt aus dem metallischen Gehäuse (3 ) sich auf eine einheitliche Temperatur einstellt. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchmischungskammer (
7 ) eine Mischeinrichtung (8 ) vorzugsweise aus einem porenhaltigen keramischen Material angeordnet ist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (
8 ) ein Temperatursensor (9 ) integriert ist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (
2 ) einen ersten elektrisch angeschlossenen und beheizten Teil (30 ) und einen daran anschließenden zweiten Teil (8 ) aus einem luftdurchlässigen keramischen Material, vorzugsweise aus einem porenhaltigen keramischen Material, als Luftverteiler aufweist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (
8 ) elektrisch leitend, vorzugsweise mit elektrisch leitender Oberfläche beschichtet, ausgebildet ist und als Sensor (9 ) für die Temperaturerfassung ausgebildet dient. - Heißlufteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem keramischen Material eine erste netzartige metallische Elektrode (
12 ) und nach dem keramischen Material eine zweite netzartige metallische Elektrode (12 ) angeordnet ist, deren Maschen den Durchtritt der Luft nicht behindern. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (
12 ) in das keramische Material eingebettet sind. - Heißlufteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (
2 ) einen in Längsrichtung sich erstreckenden, vorzugsweise zentralen metallischen Kontaktstift (14 ), der als erste Elektrode dient, und am Umfang angreifende metallische Kontaktflächen (16 ) als zweite Elektrode aufweist, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind. - Heißlufteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (
2 ) zwei voneinander beabstandete Kontaktflächen (16 ), die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind und zwischen denen das keramische Material angeordnet ist, aufweist, wobei der Abstand derart gewählt ist, dass der elektrische Widerstand über die Oberfläche des keramischen Materials höher ist, als durch das keramische Material. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (
16 ) als in der Oberfläche in einer Nut (17 ) eingelegte metallische Streifen, flexible metallische Matten oder als aufgedampfte Metallflächen ausgebildet sind. - Heißlufteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (
2 ) Einschnitte (18 ,22 ,27 ) zur Erzeugung eines vorgegebenen Stromweges aufweist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement spiralförmige Einschnitte (
27 ) aufweist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelement (
2 ) aufeinander gestapelte keramische Einzelelementen (29 ) aufweist, die elektrisch am radialen Umfang kontaktiert sind. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelement (
2 ) rohrförmig ausgebildet ist und einen Kern (28 ) aus einem luftundurchlässigen elektrisch isolierendem Material aufweist. - Heißlufteinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen Temperatursensor (
9 ) enthält.
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