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Elektrische Heizvorrichtungen sind seit vielen Jahren bekannt und werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Eine dieser Anwendungen ist der Einsatz als Tauchheizkörper, mit dem Flüssigkeiten beheizt werden.
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Nach dem Stand der Technik werden solche Tauchheizkörper, die beispielsweise mit einem Montageflansch versehen oder als Einschraubheizkörper mit einem angeschweissten Gewinde versehen sein können, üblicherweise durch einen oder mehrere in eine gewünschte Form gebogene Rohrheizkörper, die an einem gemeinsamen Flansch angeschweißt sind, gebildet.
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Rohrheizkörper sind elektrische Heizvorrichtungen, bei denen ein elektrisches Heizelement in Form eines üblicherweise frei, also nicht auf einem Träger oder Wickelkörper, gewendelten Widerstandsdrahts im Inneren eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet ist. Die elektrische Isolation zwischen Widerstandsdraht und Metallmantel des Rohrheizkörpers wird üblicherweise durch einen elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden, bevorzugt pulver- oder granulatförmigen, optional verdichteten Füllstoff, z.B. Magnesiumoxid, gewährleistet.
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Derartig aufgebaute Tauchheizkörper findet man in Reinigungsbädern, Tankbeheizung, Stillstandsheizung in Windkraftanlagen, Heisswasserbereitern, Kochkesseln, Ölumlauheizungen, industriellen Spülmaschinen und anderen Geräten.
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Ein Beispiel für solche Tauchheizkörper, wie sie derzeit verwendet werden, sind die so aufgebauten Einschraubheizkörper EHK aus dem Angebot der Anmelderin.
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So aufgebaute Tauchheizkörper weisen aber eine Reihe von Problemen auf, die sich insbesondere aus der Notwendigkeit ergeben, mehrere Abschnitte eines oder mehrerer Rohrheizkörper in relativ geringem Abstand voneinander anzuordnen.
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Ein erstes Problem, das insbesondere dann auftritt, wenn Stellen, an denen Rohrheizkörper durch den Flansch hindurchgeführt werden, eng beieinander liegen, besteht darin, dass es dann wegen der räumlichen Enge schwierig ist, die Durchführungen jeweils vollständig um den Rohrheizkörper herum, also auch in Richtungen, in denen ein anderer Rohrheizkörper oder Rohrheizkörperabschnitt in geringem Abstand ebenfalls durch den Flansch hindurch geführt ist, abzudichten, insbesondere dicht zu schweißen.
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Ein zweites Problem besteht darin, dass in einem Raumbereich, der zwischen mehreren Rohrheizkörperabschnitten liegt, bei unzureichender Flüssigkeitsdynamik eine lokale Überhitzung der Flüssigkeit entstehen kann. Ist diese so stark, dass es zur Blasenbildung kommt, ist die Wärmeabfuhr von den Rohrheizkörperabschnitten nicht mehr länger gewährleistet und das Ausfallrisiko steigt drastisch an.
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Noch weiter erhöht ein solcher geringer Abstand zwischen mehreren Abschnitten eines oder mehrerer Rohrheizkörper das Risiko, dass sich Material, das in der zu erwärmenden Flüssigkeit enthalten ist -z.B. als Verschmutzung bei der Behandlung von schmutzigem Wasser, z.B. in Spülmaschinen oder als Verkalkung bei Erwärmung von hartem Wasser- am Rohrmantel von Rohrheizkörperabschnitten anlagert, was zu lokalen Überhitzungen führen kann, die dann zu einem Ausfall der elektrischen Heizvorrichtung führen. Gleichzeitig kann man einer solchen Verschmutzung aber wegen des geringen Abstands der Rohrheizkörperabschnitte aber auch nur mit sehr hohem Aufwand durch Reinigungsmaßnahmen entgegenwirken.
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Zudem geht mit der Notwendigkeit der Umformung der Rohrheizkörper in die gewünschte Form einher, dass die Dimensionen des Rohrheizkörpers vorgegeben sind und zudem insbesondere die Dicke der Rohrwandung des rohrförmigen Metallmantels nicht beliebig wählbar ist.
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Um die Umformung der Rohrheizkörper zu ermöglichen ist es ferner notwendig, diese weich zu glühen. Dies führt dazu, dass die Integration von Temperatursicherungen problematisch wird. Auch Imprägniermittel für elektrisch isolierendes Material, das zwischen dem Heizleiter und dem Rohrmantel des Rohrheizkörpers angeordnet ist, ist nach dem Glühen nicht mehr wirksam.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere für den Einsatz als Tauchheizkörper geeignet ist. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass derart aufgebaute elektrische Heizvorrichtungen auch für andere Anwendungen als Heizpatrone, als Ersatz für Rohrheizkörper oder auch als Lastwiderstand geeignet sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat einen rohrförmigen Metallmantel, in dessen Innenraum mindestens ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, das zumindest abschnittsweise frei gewendelt ist. Optional, aber zweckmäßigerweise ist die elektrische Isolation zwischen dem vorzugsweise als Widerstandsdraht ausgebildeten elektrischen Heizelement und dem rohrförmigen Metallmantel der elektrischen Heizvorrichtung durch einen elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden, bevorzugt pulver- oder granulatförmigen, optional verdichteten Füllstoff, z.B. Magnesiumoxid, gewährleistet. Besonders bevorzugt ist dabei eine Weiterbildung, bei der das Magnesiumoxid imprägniert ist, z.B. mit einem Silikon, weil dann ein etwaiges Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des rohrförmigen Metallmantels nicht unmittelbar zum Ausfall der elektrischen Heizvorrichtung führt.
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Erfindungswesentlich ist, dass ein Querschnitt des rohrförmigen Metallmantels mindestens eine den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels reduzierende Einbuchtung aufweist. Dabei ist mit dem Querschnitt ein Schnitt in der Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung des rohrförmigen Metallmantels, in der ein durch das Rohr fließendes Material fließen würde, gemeint. Bei einem geraden Rohr mit symmetrischem Querschnitt ist die Erstreckungsrichtung beispielsweise durch seine Mittelachse gegeben.
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Durch solche Einbuchtungen, die insbesondere durch lokales Verformen des Rohrmantels ausgehend von einer einfachen geometrischen Querschnittsgrundform, wie z.B. einem Kreis oder Rechteck in Richtung auf den Rohrinnenraum hin erzeugt werden können, ist es möglich, die zur Wechselwirkung mit der Flüssigkeit zur Verfügung stehende Oberfläche zu vergrößern, ohne dass dazu die elektrische Heizvorrichtung gebogen werden muss, ohne dass der gesamte benötigte Bauraum vergrößert wird und ohne dass kleine und/oder schlecht zugängliche Zwischenräume vorhanden wären, in denen sich Verunreinigungen gut anlagern, aus denen sie aber schlecht entfernt werden können.
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Anzumerken ist, dass das soeben beschriebene lokale Verformen ausgehend von einer einfachen geometrischen Querschnittsgrundform zwar eine besonders anschauliche Erläuterung dessen, was insbesondere unter einer Einbuchtung zu verstehen ist, ist, dass aber die rohrförmigen Metallmäntel mit Einbuchtung typischerweise nicht so hergestellt werden, sondern beispielsweise als gezogenes Rohr oder beispielsweise durch sequentielles Umbiegen eines Flachmaterials zu einer geschlossenen Struktur und anschließendes Verschweißen dieser Struktur mit einer Naht.
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Entsprechende rohrförmige Metallmäntel kann man so preisgünstig herstellen, auf die gewünschte Länge kürzen und mit einer Bodenscheibe versehen, um sie bodenseitig zu verschließen.
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Explizit soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die beanspruchten Einbuchtungen nicht auf Zwischenräume zwischen Kühlrippen, die an der Außenseite eines rohrförmigen Metallmantels angeordnet sind, gelesen werden können, weil diese nicht zu einer Reduktion des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels führen, der noch immer die einfache geometrische Grundform aufweist.
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Insbesondere kann dadurch, dass mindestens zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelemente vorhanden sind und dass die Einbuchtung des Querschnitts des rohrförmigen Metallmantels zwischen zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelemente eingreift, so dass die Verbindungslinie zwischen diesen zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelementen in einem Querschnitt, der die Einbuchtung aufweist, zumindest teilweise außerhalb des Rohrmantels verläuft, erreicht werden, dass die Anordnung der elektrischen Heizelemente im Raum zumindest hochgradig ähnlich ist wie im Fall der Verwendung von gebogenen Rohrheizkörpern, z.B. mehrerer in U-Form gebogener Rohrheizkörper oder eines mäandrierend gebogenen Rohrheizkörpers, und dass eine vergleichbare Wärmeabfuhr erreicht wird, obwohl die einzelnen elektrischen Heizelemente innerhalb eines gemeinsamen rohrförmigen Metallmantels angeordnet sind.
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Gleichzeitig zeigt sich, dass dabei aber größere Wendeldurchmesser als bei der bislang üblichen Verwendung von mehreren Rohrheizkörpern oder Rohrheizkörperabschnitten realisiert werden können, so dass mehr Leistung bei bereitgestellt und/oder die Belastung des elektrischen Heizelements reduziert werden kann.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn mehrere symmetrisch angeordnete Einbuchtungen vorhanden sind und/oder wenn der Abstand zwischen benachbarten Einbuchtungen zumindest abschnittsweise von außen nach innen abnimmt, was mit sich bringt, dass die Einbuchtungen die zwischen ihnen liegenden Bereiche der elektrischen Heizvorrichtung gewissermaßen „abschnüren“, so dass sie nur noch über eine schmale Verbindung mit dem Mittelabschnitt und den zwischen anderen Einbuchtungen liegenden Bereichen verbunden sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegen mehrere Abschnitte eines die Einbuchtung aufweisenden Querschnitts des rohrförmigen Metallmantels auf einem gedachten Kreis und die Länge des Umfangs dieses Querschnitts, also der den Querschnitt begrenzenden Linie ist mindestens 25%, bevorzugt 50% größer ist als der Umfang des Kreises.
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Wenn sich die Einbuchtung zumindest abschnittsweise von außen nach innen hin verjüngt, ermöglicht dies insbesondere eine einfache Reinigung der Einbuchtung und kann zudem die Wärmeabnahme durch die Flüssigkeit durch eine Beeinflussung von deren Strömungsverhalten verbessern.
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Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Einbuchtung die Form eines Tropfens, die Form eines Dreiecks mit zumindest leicht abgeflachter oder abgerundeter Spitze oder die Form eines Kreissektors mit zumindest leicht abgeflachter oder abgerundeter Spitze aufweist. Eine derartig geformte Einbuchtung ist nicht nur leicht zu reinigen, sondern sie bietet auch keine Angriffspunkte für die Anlagerung von Kontaminationen.
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Vorteilhaft für die Anwendung als Tauchheizkörper ist es, wenn an dem rohrförmigen Metallmantel ein Flansch oder ein Gewindeteil angeordnet und mit dem rohrförmigen Metallmantel dicht verbunden, insbesondere verlötet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Heizvorrichtung ferner einen innerhalb des rohrförmigen Metallmantels angeordneten Innenaufbau auf, an dem die mindestens zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelemente angeordnet sind. Vorteilhaft ist es dabei insbesondere, wenn der Innenaufbau einen Anschlussabschnitt zur Lagerung mindestens eines der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements und/oder von mindestens eines Anschlussdrahts, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, einen dem Anschlussabschnitt gegenüberliegenden Umlenkabschnitt, an dem das zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelement und/oder ein Anschlussdraht, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, umgelenkt wird, und einen Abstandshalter, der zwischen dem Anschlussabschnitt und dem Umlenkabschnitt verläuft und zumindest vom Umlenkabschnitt in mindestens einer relativ zum Verlauf des Abstandshalters radialen Richtung überragt wird, aufweist.
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Besonders bevorzugt ist dabei ein Innenaufbau, bei dem der Umlenkabschnitt für mindestens ein umgelenktes elektrisches Heizelement und/oder für mindestens einen umgelenkten Anschlussdraht im den Anschlussabschnitt in mindestens einer relativ zur Verlaufsrichtung des Abstandshalters radialen Richtung überragenden Bereich einen Steg aufweist, über den das zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelement und/oder der Anschlussdraht, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, geführt und dadurch umgelenkt wird. Insbesondere ist mit „Umgelenkt“ dabei eine Richtungsänderung um 180° gemeint, es sind aber auch andere Richtungsänderungen möglich. Mit der Formulierung „in radialer Richtung“ ist „in mindestens einer radialen Richtung“ gemeint, sie impliziert also nicht eine zwingende radiale Symmetrie, sondern ist im Sinne einer Beschreibung der Geometrie des Innenaufbaus unter Verwendung einer zylindergeometrie bzw. eine Zylinderkoordinatensystems, bei dem die Achse durch die -gegebenenfalls lokale- Verlaufsrichtung des Abstandshalters zwischen Anschlussabschnitt und Umlenkabschnitt vorgegeben ist und die weiteren Koordinaten der Radius, also der Abstand von dieser Achse und ein Polarwinkel sind.
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Es wird explizit darauf hingewiesen, dass nicht zwingend der frei gewendelte Abschnitt des elektrischen Heizelements umgelelenkt werden muss, sondern z.B. auch ein Anschlussabschnitt. Dies ermöglicht es ebenso wie die anspruchsgemäße Alternative des Umlenkens eines Anschlussdrahtes, Innenaufbauten zu realisieren, bei denen frei gewendelte Abschnitte des elektrischen Heizelements nicht nur paarweise, in gerader Anzahl, sondern bei Bedarf auch in ungerader Anzahl vorgesehen sein können.
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Der Innenaufbau bildet also eine Trägerstruktur, die gewendelte Heizdrahtabschnitte unter der gewünschten mechanischen Spannung hält und ihre Anordnung im Raum vorgibt. Der Innenaufbau kann dann in einen rohrförmigen Metallmantel einer elektrischen Heizvorrichtung oder eines Lastwiderstands eingeführt und elektrisch isolierendes Pulver oder Granulat eingefüllt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Innenaufbaus für eine elektrische Heizvorrichtung kann man vorsehen, dass mindestens ein Umlenkabschnitt für ein umgelenktes elektrisches Heizelement und/oder für einen umgelenkten Anschlussdraht, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, einen relativ zum Verlauf des Abstandshalters, der bevorzugt parallel zu einer gedachten Achse verläuft und besonders bevorzugt eine Mittelachse aufweist, in radialer Richtung verlaufenden Steg aufweist, über den das zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelement und/oder der Anschlussdraht mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, geführt und dadurch umgelenkt wird.
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Besonders bevorzugt sind dabei Ausführungsbeispiele, bei denen n Stege symmetrisch ausgelegt sind, so dass eine n-zählige Rotationssymmetrie bezüglich der durch den Abstandshalter verlaufenden Achse, insbesondere der Mittelachse des Abstandshalters, entsteht. Auf diese Weise lassen sich mehrere frei gewendelte Abschnitte elektrischer Heizelemente gleichmäßig über den Umfang verteilen.
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Darüber hinaus erleichtert der radiale Verlauf der Stege auch das Anordnen der elektrischen Heizelemente an den Stegen beim Zusammenbau des Innenaufbaus.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn das elektrisches Heizelement und/oder der umgelenkte Anschlussdraht, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, so am Anschlussabschnitt gelagert ist, dass ein frei gewendelter Abschnitt des elektrischen Heizelements gespannt ist. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Spannung durch eine Verstellung des Lagers variiert werden kann. Diese Maßnahme erlaubt insbesondere, bei der Fertigung des Innenaufbaus zunächst das Heizelement ohne dass es unter mechanischer Spannung steht einfach über den Umlenkabschnitt zu führen und dann beim Lagern seiner Enden oder von mit einem oder beiden Enden verbundenen Anschlussdrähten mit der gewünschten Spannung zu fixieren.
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Besonders einfach ist dies möglich, wenn der Anschlussabschnitt mindestens einen Schlitz aufweist, in dem ein Abschnitt des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements oder ein Anschlussdraht gelagert ist, weil dann der zu lagernde Abschnitt einfach von einer Seite her in den Schlitz eingeführt werden kann.
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Wenn der der Umlenkabschnitt für mindestens ein umgelenktes elektrisches Heizelement und/oder für mindestens einen umgelenkten Anschlussdraht einen Vorsprung zum Verhindern eines Abrutschens des umgelenkten elektrisches Heizelements und/oder des umgelenkten Anschlussdrahts aufweist, wird auf eine einfache Weise das Verbleiben des elektrischen Heizelements in der gewünschten Position gewährleistet.
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Die präzise Positionierung des Innenaufbaus in der elektrischen Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche kann einfach gewährleistet werden, der Anschlussabschnitt und/oder Umlenkabschnitt Stützflächen zur Abstützung des Innenaufbaus an dem rohrförmigen Metallmantel einer elektrischen Heizvorrichtung aufweist.
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Wenn die Position des Anschlussabschnitts und/oder des Umlenkabschnitts auf dem Abstandshalter variabel ist und Fixiermittel zum Fixieren des Anschlussabschnitts und/oder des Umlenkabschnitts vorhanden sind, kann man einerseits die gewünschte mechanische Spannung des elektrischen Heizelements und insbesondere seines frei gewendelten Abschnitts leicht anpassen, zusätzlich erzielt man aber auch Vorteile bei der Konfektionierung des Innenaufbaus für elektrische Heizvorrichtungen unterschiedlicher Länge.
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Es ist auch möglich, dass ein Anschlussdraht den Abstandshalter bildet. Dies ermöglicht es im Bedarfsfall, eine Konfiguration des elektrischen Heizelements bereitzustellen, bei der der frei gewendelte Abschnitt des elektrischen Heizelements eine vergleichbare Raumkurve beschreibt wie bei einem auf einen Träger gewendelten elektrischen Heizelement.
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Erfindungsgemäß weist die elektrischen Heizvorrichtung einen Temperatursensor, Regler und/oder Begrenzer auf, der in einem in einer Einbuchtung des rohrförmigen Metallmantels verlaufenden Rohr angeordnet ist.
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Ein nicht beanspruchtes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung weist die folgende Schritte auf:
- - Bereitstellen eines rohrförmigen Metallmantels, dessen Querschnitt mindestens eine den Innenraum des rohrförmigen Metallmantels reduzierende Einbuchtung aufweist, so dass mindestens zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelemente derart in dem rohrförmigen Metallmantel angeordnet werden können, dass die Einbuchtung des Querschnitts des rohrförmigen Metallmantels zwischen zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelemente eingreift, so dass die Verbindungslinie zwischen diesen zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelementen) in einem Querschnitt, der die Einbuchtung aufweist, zumindest teilweise außerhalb des rohrförmigen Metallmantels verläuft,
- - Bereitstellen von mindestens zwei zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelementen, deren Endabschnitte als Anschlussabschnitte dienen oder mit Anschlussdrähten verbunden sind,
- - Bereitstellen einer Trägerstruktur für mindestens zwei abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelemente, wobei die Trägerstruktur einen Anschlussabschnitt zur Lagerung mindestens eines der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements und/oder mindestens eines Anschlussdrahts, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, einen dem Anschlussabschnitt gegenüberliegenden Umlenkabschnitt, an dem das zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelement und/oder ein Anschlussdraht, mit dem mindestens einer der beiden Endabschnitte des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements verbunden ist, umgelenkt wird, und einen Abstandshalter, der zwischen dem Anschlussabschnitt und dem Umlenkabschnitt verläuft, aufweist,
- - Herstellen eines Innenaufbaus der elektrischen Heizvorrichtung, indem jeweils ein erster Endabschnitt oder Anschlussdraht des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements am Anschlussabschnitt gelagert wird, das zumindest abschnittsweise frei gewendelte elektrische Heizelement am Umlenkabschnitt umgelenkt wird und ein zweiter Endabschnitt oder Anschlussdraht des zumindest abschnittsweise frei gewendelten elektrischen Heizelements am Anschlussabschnitt gelagert wird,
- - Einführen des Innenaufbaus in den rohrförmigen Metallmantel, und
- - Befüllen des verbleibenden Leervolumens des rohrförmigen Metallmantels mit einem elektrisch isolierenden, pulver- oder granulatförmigen Material, insbesondere Magnesiumoxid-Pulver oder -Granulat.
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Die Reihenfolge, in der die einzelnen Komponenten der elektrischen Heizvorrichtung bereitgestellt werden, ist dabei egal, während die anderen Schritte des Verfahrens in der angegebenen Reihenfolge auszuführen sind.
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Bevorzugt ist es ferner, wenn die elektrische Heizvorrichtung ganz oder teilweise verdichtet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Eine Außenansicht einer elektrischen Heizvorrichtung,
- 2: eine Ansicht des Innenaufbaus der elektrischen Heizvorrichtung aus 1,
- 3: einen Querschnitt durch die elektrische Heizvorrichtung aus 1 in einer senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung verlaufenden Ebene,
- 4a: einen Querschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung mit einer ersten alternativen Rohrgeometrie,
- 4b: einen Querschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung mit einer zweiten alternativen Rohrgeometrie, und
- 5: einen Querschnitt durch eine als Tauchheizkörper ausgeführte elektrische Heizvorrichtung nach dem Stand der Technik.
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Bei der Beschreibung der Figuren werden identisch aufgebaute Teile teilweise nur exemplarisch mit Bezugszeichen versehen, um die Übersichtlichkeit der Figuren zu verbessern.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine als Tauchheizkörper ausgeführte elektrische Heizvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Man erkennt jeweils Paare von Rohrheizkörperabschnitten 1010a,1010b; 1020a,1020b; 1030a,1030b die zu drei u-förmig gebogenen Rohrheizkörpern mit rohrförmigem Metallmantel gehören, wie durch die gestrichelten Verbindungslinien zwischen zu demselben Rohrheizkörper gehörenden Rohrheizkörperabschnitten 1010a und 1010b, 1020a und 1020b bzw. 1030a und 1030b eingezeichnet sind, angedeutet wird und auf einem gedachten Kreis so angeordnet sind, dass sowohl benachbarte Rohrheizkörperabschnitte 1010a,1010b; 1020a,1020b; bzw. 1030a,1030b desselben Rohrheizkörpers als auch benachbarte Rohrheizkörperabschnitte 1010b,1020a; 1020b,1030a; bzw. 1030b,1010a unterschiedlicher Rohrheizkörper jeweils gleich weit voneinander beabstandet sind.
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Die Rohrheizkörper weisen jeweils einen rohrförmigen Metallmantel 1011,1021,1031, und ein im Inneren des rohrförmigen Metallmantels 1011,1021,1031 angeordnetes, als Widerstandsdraht ausgeführtes elektrisches Heizelement 1012,1022,1032 auf, das durch Magnesiumoxidpulver als elektrisch isolierender, pulverförmiger Isolierstoff 1013,1023,1033 vom rohrförmigen Metallmantel 1011,1021,1031 isoliert ist.
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Der Bauraum, den dieser Tauchheizkörper einnimmt, ist durch den strichpunktierten Kreis, den alle Rohrheizkörperabschnitte 1010a,1010b,1020a,1020b,1030a,1030b berühren, veranschaulicht. Schon jetzt wird darauf hingewiesen, dass die in den 3, 4a und 4b strichpunktiert eingezeichneten Kreise denselben Durchmesser aufweisen wie in 5, was bedeutet, dass die entsprechenden elektrischen Heizvorrichtungen jeweils denselben Bauraum benötigen.
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1 zeigt eine als Tauchheizkörper ausgeführte elektrische Heizvorrichtung 1 in einer Außenansicht. In dieser Außenansicht erkennt man einen rohrförmigen Metallmantel 10, an dem zur Befestigung der elektrischen Heizvorrichtung 1 ein Flansch 2 vorgesehen ist.
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Wie man besonders gut in Zusammenschau der 1 und 3 erkennt, hat der rohrförmige Metallmantel 10, der drei sich in Erstreckungsrichtung der elektrischen Heizvorrichtung 1 über die gesamte Länge des rohrförmigen Metallmantels 10 verlaufende Einbuchtungen 11,12,13, an denen der durch den Querschnitt des Metallmantels 10 begrenzte Innenraum ausgehend von einer kreisförmigen Grundform reduziert ist.
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Zusätzlich fällt eine Querschnittsreduktion des rohrförmigen Metallmantels 10 auf, die darauf zurückzuführen ist, dass er nur in seinem der Anschlussseite abgewandten Endbereich verdichtet ist.
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Die Einbuchtungen 11,12,13 haben jeweils im Querschnitt betrachtet die Form eines Kreissektors mit abgeflachter Spitze oder eines Dreiecks mit abgeflachter Spitze und verjüngen sich somit von außen nach innen hin. Dies bringt insbesondere mit sich, dass sie für eine Reinigung gut zugänglich sind.
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In den Bereichen zwischen den Einbuchtungen 11,12,13 wird der Querschnitt des rohrförmigen Metallmantels 10 durch Kreisbögen 14a,14b,14c begrenzt, die jeweils einen Winkelbereich des Polarwinkels ϕ von 60° überdecken. Die Einbuchtungen 11,12,13 sind symmetrisch angeordnet und jeweils um einen Winkel von 120° zueinander versetzt.
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Durch diese Geometrie ergibt sich, dass der Abstand zwischen benachbarten Einbuchtungen 11,12; 12,13 bzw. 13,11 von außen nach innen hin abnimmt. Die auf einem Radius r liegenden Abschnitte des rohrförmigen Metallmantels 10, die dessen Innenraum von zwei voneinander benachbarten Einbuchtungen 11,12; 12,13 bzw. 13,11 trennen, und die zugehörigen Kreisbögen 14a,14b,14c bilden somit jeweils die Wände einer fast vollständig von einem Mittelbereich 15 des Innenraums des rohrförmigen Metallmantels 10 abgeschnürten Kammer 16a,16b,16c, in der jeweils ein im Bereich des bodenseitigen Endes 3 der elektrischen Heizvorrichtung 10 um 180° umgelenktes elektrisches Heizelement 160, das frei gewendelte Bereiche 161,163 aufweist, angeordnet ist.
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Der gesamte Innenraum des rohrförmigen Metallmantels 10 ist mit einem elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden, optional verdichteten, pulverförmigen Material, beispielsweise einem Magnesiumoxidpulver 150 oder -Granulat, gefüllt.
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In der Einbuchtung 11 ist ein Rohr 190 zur Aufnahme eines Temperatursensors, Reglers und/oder Begrenzers angeordnet.
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Als Konsequenz dieser Geometrie des rohrförmigen Metallmantels 10 wird eine größere Fläche für die Wechselwirkung mit der zu erhitzenden Flüssigkeit bereitgestellt, was die Wärmeabfuhr verbessert und die maximale Heizleistung, mit der die elektrische Heizvorrichtung 1 betrieben werden kann, erhöht, ohne dass die Anforderungen an den Bauraum steigen.
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2 zeigt einen Innenaufbau 100 der elektrischen Heizvorrichtung Tauchheizkörpers 1. Der Innenaufbau 100 hat einen Anschlussabschnitt 120, einen Umlenkabschnitt 140 und einen Abstandshalter 110, der zwischen dem Anschlussabschnitt 120 und dem Umlenkabschnitt 140 verläuft. Der Verlauf des hier stabförmigen Abstandshalters 110 bzw. von dessen Mittelachse zwischen Anschlussabschnitt 120 und Umlenkabschnitt 140 definiert eine Richtung, relativ zu der sowohl der Anschlussabschnitt 120 als auch der Umlenkabschnitt 140 den Abstandshalter 110 in radialer Richtung überragen, wobei das Ausmaß dieses Überragens in Abhängigkeit vom jeweiligen Polarwinkel variiert.
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Ferner sind an dem Innenaufbau 100 als Widerstandsdraht ausgeführte elektrische Heizelemente 160 angeordnet, deren Endabschnitte mit Anschlussdrähten 170a,170b elektrisch leitend und mechanisch verbunden sind. Die Anschlussdrähte 170a,170b sind jeweils im Anschlussabschnitt 120 gelagert. Ausgehend von dem mit dem Anschlussdraht 170a verbundenen Endabschnitt folgen jeweils ein erster frei gewendelter Bereich 161, ein Umlenkbereich 162 und ein zweiter frei gewendelter Bereich 163 des elektrischen Heizelements 160, ehe es in seinem zweiten Endabschnitt mit dem Anschlussdraht 170b verbunden ist.
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Die geometrische Grundform des Anschlussabschnitts 120 und des Umlenkabschnitts 140 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich. Beide weisen einen Mittelbereich 121 bzw. 141 auf, in dessen Zentrum sie mit dem Abstandshalter 110 lösbar oder permanent verbunden sind. Ausgehend vom Mittelbereich 121 bzw. 141 erstrecken sich jeweils drei Arme 122 bzw. 142 in radialer Richtung nach außen, so dass sich jeweils eine dreizählige Rotationssymmetrie bezüglich der Mittelachse ergibt.
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Diese geometrische Grundform wird aber durch unterschiedliche Gestaltung der Arme 122 bzw. 142 unterschiedlich variiert. Die Arme 122 des Anschlussabschnitts 120 sind im Wesentlichen kreissektorförmig ausgebildet. Sie weisen jeweils Schlitze 123 auf, in die die Anschlussdrähte 170a,170b von der Seite her in Umfangsrichtung eingeführt und gelagert sind. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Anschlussdrähte 170a,170b lokal einen größeren Querschnitt als die Dimensionen der Schlitze 123 aufweisen, wie man durch Vergleich der auf unterschiedlichen Seiten des Anschlussabschnitts 120 befindlichen Abschnitte der Anschlussdrähte 170a,170b erkennt, so dass dieser größere Querschnitt auf der anschlussseitigen Oberfläche des Anschlussabschnitts 120 abgestützt ist. Auf diese Weise kann insbesondere eine definierte mechanische Spannung des elektrischen Heizelements 160 erzielt werden.
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Die Stirnflächen der Arme 122 des Anschlussabschnitts 120 dienen als Stützflächen 124, mit denen der Innenaufbau 100 am rohrförmigen Metallmantel 15 der elektrischen Heizvorrichtung 10 abgestützt ist. Durch eine in den Stützflächen 124 vorhandene Nut 125 und Bohrungen 126 wird das Befüllen des nach dem Einführen des Innenaufbaus 100 in den rohrförmigen Metallmantel 15 verbleibenden Leervolumens auch in den Bereichen der Arme 122 des Anschlussabschnitts 120 mit dem elektrisch isolierenden Material erleichtert bzw. verbessert.
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Die Arme 142 des Umlenkabschnitts 140 weisen jeweils drei Abschnitte auf: einen sich radial nach außen hin verbreiternden Abschnitt 143, einen in radialer Richtung verlaufenden Steg 144, über den jeweils der Umlenkbereich 162 des elektrischen Heizelements 160 umgelenkt wird, und einen sich gegenüber dem Steg 144 verbreiternden Vorsprung 145, dessen Stirnseite eine Stützfläche 146, mit der der Innenaufbau 100 am rohrförmigen Metallmantel 15 des Tauchheizkörpers 10 abgestützt ist, bildet.
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Anhand der Querschnittsdarstellungen gemäß der 3 erkennt man, wie der Innenaufbau 100 im rohrförmigen Metallmantel 10 angeordnet ist.
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Die elektrischen Heizvorrichtungen 200,300, die in den 4a und 4b im Querschnitt gezeigt sind, weisen denselben Grundaufbau mit rohrförmigem Metallmantel 210 bzw. 310, Einbuchtungen 211,212,213,214 bzw. 311,312, umgelenkten elektrischen Heizelementen 221,222,223 bzw. 321,322 mit frei gewendelten Abschnitten 221a,221b,222a,222b,223a,223b bzw. 321a,321b,322a, 322b und gestrichelt dargestellten Verbindungsabschnitten 221c,222c,223c bzw. 321c,322c sowie elektrisch isolierendem Material 250 bzw. 350 auf. Der Unterschied besteht lediglich in der Form der Einbuchtungen 211,212,213,214 bzw. 311,312 und der Zahl der elektrischen Heizelemente 221,222,223 bzw. 321,322, die Freiheitgrade darstellen, mit denen auf die Erfordernisse einer bestimmten Anwendung hin eine Optimierung vorgenommen werden kann.
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So ist der in 4a dargestellte Querschnitt besonders gut für eine elektrische Heizvorrichtung 200 mit mehreren Heizstufen geeignet, wobei dann das elektrische Heizelement 222 als ein erster Heizkreis und alternativ oder zusätzlich die elektrischen Heizelemente 221,223 als ein zweiter Heizkreis betrieben werden können. Der in 4b dargestellte Querschnitt zeigt eine elektrische Heizvorrichtung 300, bei der die Einbuchtungen 311,312 tropfenförmig sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 200, 300
- elektrische Heizvorrichtung
- 2
- Flansch
- 10, 210, 310
- rohrförmiger Metallmantel
- 11, 12, 13, 211, 212, 213, 214, 311, 312
- Einbuchtung
- 14a, 14b, 14c
- Kreisbögen
- 15
- Mittelbereich
- 16a, 16b, 16c
- Kammer
- 50, 250, 350
- elektrisch isolierendes Material
- 100
- Innenaufbau
- 110
- Abstandshalter
- 120
- Anschlussabschnitt
- 121, 141
- Mittelbereich
- 122, 142
- Arm
- 123
- Schlitz
- 124, 146
- Stützfläche
- 125
- Nut
- 126
- Bohrung
- 140
- Umlenkabschnitt
- 143
- Abschnitt
- 144
- Steg
- 145
- Vorsprung
- 150
- Magnesiumoxidpulver
- 160, 221, 222, 223, 321, 322
- elektrisches Heizelement
- 161, 163, 221a, 221b, 222a, 222b, 223a, 223b, 321a, 321b, 322a, 322b
- frei gewendelter Abschnitt
- 162
- Umlenkbereich
- 170a, 170b
- Anschlussdrähte
- 190
- Rohr
- 221c,222c,223c,321c,322c
- Verbindungsabschnitt
- 1010a,1010b,1020a, 1020b,1030a,1030b
- Rohrheizkörperabschnitt
- 1011,1021,1031
- rohrförmiger Metallmantel
- 1012,1022,1032
- elektrisches Heizelement
- 1013,1023,1033
- Isolierstoff
- r
- Radius
- φ
- Polarwinkel
