DE102020001751A1

DE102020001751A1 - Kompaktheizer mit Mantelrohrheizkörper

Info

Publication number: DE102020001751A1
Application number: DE102020001751.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gartner
Original assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-09-23
Also published as: EP3883338A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Mantelrohrheizkörper mit jeweils einem Anschluss an beiden Enden des Mantelrohres, wobei im Inneren des Mantelrohres ein Heizleiter konzentrisch zum Mantelrohr in elektrischer Verbindung zwischen Anschlüssen an beiden Enden angeordnet ist und der übrige Raum im Mantelrohr mit einem pulver- oder kornförmigen Metalloxid, insbesondere Magnesiumoxid, aufgefüllt ist. Erfindungsgemäß sind anstelle eines einzigen Heizdrahtes im Inneren des Mantelrohres mindestens 5 Heizdrahtwendeln konzentrisch angeordnet.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Mantelrohrheizkörper mit jeweils einem Anschluss an beiden Enden des Mantelrohres, wobei im Inneren des Mantelrohres ein Heizleiter konzentrisch zum Mantelrohr in elektrischer Verbindung zwischen Anschlüssen an beiden Enden angeordnet ist und der übrige Raum im Mantelrohr mit einem pulver- oder kornförmigen Metalloxid, insbesondere Magnesiumoxid, aufgefüllt ist.
Für biegbare Mantelrohrheizkörper mit kleineren Versorgungsspannungen bis 120V, insbesondere bis 60V, wie sie im Automobilbereich üblich sind, sind der verfügbaren Leistung bezogen auf die Mantelrohrlänge Grenzen gesetzt, da der für hohe Leistung erforderliche kleine Widerstand nur mit dicken, geraden Heizdrähten zu realisieren ist, deren Oberflächenbelastung dann aber meist zu hoch ist. Weiterhin sind für kompakte, kleinvolumige Heizkörper, wie sie in der Automobilindustrie z.B. zur Beheizung von Kühlwasser benötigt werden, Rohrheizkörpers mit hoher Leistung erforderlich, die gleichzeitig eine große Wärmetauschfläche besitzen.
Aufgabe ist es daher, einen Mantelrohrheizkörper mit sehr hoher Leistung bei Spannungen bis 120V, insbesondere bis 60V herzustellen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, unter Verwendung eines Mantelrohrheizkörpers einen leistungsstarken Kompaktheizer für kleinere Versorgungsspannungen unter 120V, insbesondere von höchstens 60V herzustellen, der trotz seiner Leistungsstärke nur ein kleines Volumen benötigt und eine große Wärmetauschfläche aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Mantelrohrheizkörper mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und einem Kompaktheizer nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß sind anstelle eines einzigen Heizdrahtes im Inneren des Mantelrohres mindestens 5 Heizdrahtwendeln konzentrisch angeordnet. Die Wendeln können verschiedene Windungsdurchmesser aufweisen und dadurch sehr kompakt gewickelt sein. Bevorzugt haben die Wendeln aber alle den gleichen Windungsdurchmesser und liegen daher axial gesehen auf einer Linie. Dabei sind sie Wendeln ineinander gewunden.
Die Heizdrähte können sich zumindest teilweise berühren. Um Kurzschlüsse oder Spannungsbrücken und damit verbundene Gesamtwiderstandsänderungen zu vermeiden, sind sich berührende Heizdrahtwindungen oder solche mit geringem Windungsabstand in einer Ausgestaltungsvariante gegeneinander isoliert, bevorzugt durch eine äußere Isolationsschicht wie beispielsweise eine Oxidschicht. Überraschend hat sich aber gezeigt, dass auch Mantelrohrheizkörper mit 5 und mehr koaxial gewundenen Heizwendeln ohne Heizdrahtaußenisolierung auch mit geringem Windungsabstand ohne nennenswerte Widerstandsänderung hergestellt werden können, da die Federkraft der Heizdrähte sehr homogen ist. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt.
Die Heizdrahtwendeln können einzeln oder in Gruppen an mehreren Anschlussteilen je Ende befestigt sein. Dadurch können unterschiedliche Ansteuerungen unterschiedliche Widerstandskombinationen und somit unterschiedliche Leistungen erzeugen. Bevorzugt sind jedoch alle Heizwendeln an den Enden jeweils an einem gemeinsamen Anschlussteil befestigt.
Bei einer Anschlussvarianten sind Enden von Heizdrahtwendeln zusammen verdrillt und gemeinsam in einer Hülse z.B. durch Verquetschen bzw. Vercrimpen befestigt und nach außen geführt.
Bevorzugt ist aber eine Anschlussvariante, bei der Heizdrahtwendeln an der zylindrischen Seitenwand von Anschlussstiften befestigt sind. Die Befestigung der Heizdrähte erfolgt vorteilhaft durch Verschweißen, insbesondere durch Punktschweißen.
Äußerst bevorzugt erfolgt die Befestigung der Heizdrähte an den Anschlussstiften axial versetzt, insbesondere entlang einer axialen Linie. Bei einer äußerst vorteilhaften Variante berühren sich die nebeneinander liegenden Heizdrähte zumindest im Befestigungsbereich. Dadurch lässt sich vorteilhaft die Befestigung aller Drähte in einem einzigen Arbeitsgang herstellen. Insbesondere bei Heizdrahtwendeln mit geringem Windungsabstand führt diese Befestigung nicht zu ungleich ineinander gewundenen Heizdrahtwendeln mit Kurzschlüssen und Spannungsbrücken.
Erfindungsgemäß hergestellte Mantelrohrheizkörper haben bevorzugt einen relativen Widerstand von weniger als 1 Ohm/m bezogen auf den geraden, beheizten Mantelrohrabschnitt. Trotzdem beträgt der Durchmesser des Mantelrohres höchstens 12mm.
Gemäß dem Stand der Technik werden als Heizdrähte bei Mantelrohrheizkörper Legierungen aus zwei oder mehr Metallen eingesetzt, die einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand von über 1 Ohm mm²/m haben und eine geringe Neigung zur Oxidation besitzen.
In Abkehr von dieser Lehre sind erfindungsgemäß bevorzugt Metalllegierungen als Heizdraht eingesetzt, die einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,8, insbesondere weniger als 0,4 Ohm mm²/m haben, also keine typischen Heizleiterlegierungen sind. Um trotzdem der durch die hohe Leistung bedingt hohen Temperatur standhalten zu können, besitzt die bevorzugte Metalllegierung gleichzeitig eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600°C.
Um ausgehend von einem derartigen Mantelrohrheizkörper zu einem leistungsstarken Kompaktheizer zu gelangen, ist der Mantelrohrheizkörper mehrfach und/oder kontinuierlich gebogen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Mantelrohrheizkörper so gebogen, dass die beiden Mantelrohrenden in etwa die gleiche räumliche Ausrichtung haben. Vorteilhaft ist der Mantelrohrheizkörper wendelartig und/oder spiralförmig und/oder mäanderförmig gebogen. Äußerst bevorzugt weist dabei mindestens eine Biegung mindestens 90° und einen mittigen Biegeradius von höchstens dem doppelten des Mantelrohrdurchmessers auf. Durch den derart gebogenen Mantelrohrheizkörper erhält man einen äußerst leistungsstarken Kompaktheizer.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

1 ein Mantelrohrheizkörperende in einem tangentialen Anschnitt

Die einzige 1 zeigt ein Beispiel des erfindungsgemäßen Mantelrohrheizkörpers in einer mehrfach geschnittenen Teilansicht. Der erste Schnitt ist ein tangentialer Schnitt in axialer Richtung des Mantelrohres 1, um den Blick ins Innere des Mantelrohres 1 freizugeben. In einem weiteren Schnitt ist das Mantelrohr 1 in einem Abstand vom Mantelrohrende 1.1 abgeschnitten. Abweichend davon sind zur besseren Darstellung die Heizdrähte 5.1 - 5.5 der Heizdrahtwendeln in einem größeren Abstand zum Mantelrohrende 1.1 als das Mantelrohr 1 selbst einzeln abgeschnitten. Ohne die Schnitte würden sich das Mantelrohr 1 und die Heizdrähte 5.1 - 5.5 bis zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Mantelrohres, das hier nicht gezeigt ist, erstrecken.
Im Inneren des Mantelrohres 1 sind 5 Heizdrähte 5.1 - 5.5 wendelförmig mit gleichem Windungsdurchmesser und mit etwa gleichen Abständen zwischen zwei benachbarten Heizdrahtwindungen angeordnet. Auf der gesamten Strecke zwischen den Mantelrohrenden bleibt die Anordnung der Heizdrähte 5.1 -5.5 untereinander erhalten, d. h. die Reihenfolge zwischen den Heizdrähten bleibt auf der ganzen Strecke unverändert. Am Mantelrohrende 1.1 sind die Enden der Heizdrähte 5.1 - 5.5 ebenfalls unter Einhaltung ihrer Reihenfolge auf einen Anschlussstift 2 aufgewickelt, der mit seinem Kontaktpin 4 aus dem Mantelrohr 1 herausragt. Bevorzugt hat dabei jeder Heizdraht 5.1 - 5.5 über mindestens eine volle Windung, äußerst bevorzugt über mindestens 3 volle Windungen Kontakt zu dem Anschlussstift 2. Die Befestigung der Heizdrähte 5.1 - 5.5 an der zylindrischen Seitenwand des Anschlussstiftes 2 ist in der beispielhaften Ausführung durch Punktschweißen mit einer länglichen Elektrode erfolgt, die zeitgleich alle Heizdrähte an dem Anschlussstift 2 festlegt. Vorteilhaft liegen dabei alle Befestigungspunkte 6.1 - 6.5 auf einer Linie, äußerst bevorzugt auf einer axialen Linie des Anschlussstiftes 2, in dieser beispielhaften Ausführung mit Abständen zwischen den Heizdrähten 5.1 - 5.5. Bevorzugt sind aber die Heizdrähte 5.1 - 5.5 sich gegenseitig berührend an den Befestigungspunkten 6.1 - 6.5 angeordnet. Denkbar können aber auch die Befestigungen nacheinander erfolgt sein, oder die Befestigungspunkte 6.1 - 6.5 liegen umfangsmäßig verteilt axial auf gleicher Höhe des Anschlussstiftes 2. Auch andere Arten der Befestigung sind möglich.
Der fertiggestellte Mantelrohrheizkörper ist an seinen Enden zwischen dem Anschlussstift 2 und dem Mantelrohr 1 durch eine Buchse 3 abgedichtet.
Um einen Kompaktheizer zu erhalten ist der dargestellte gerade Mantelrohrheizkörper nach seiner Fertigstellung noch mehrfach oder kontinuierlich gebogen (nicht dargestellt). Dadurch ist ein leistungsstarker, kompakter Heizkörper mit einer großen Wärmetauschfläche hergestellt.

Claims

Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper mit jeweils mindestens einem elektrischen Anschluss an beiden Enden (1.1) des Mantelrohres (1), wobei im Inneren des Mantelrohres (1) ein Heizleiter konzentrisch zum Mantelrohr (1) in elektrischer Verbindung zwischen den Anschlüssen (2, 4) an beiden Enden (1.1) angeordnet ist und der übrige Raum (7) im Mantelrohr (1) mit einem pulver- oder kornförmigem Metalloxid, insbesondere Magnesiumoxid, aufgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter aus wenigstens 5 Heizdrahtwendeln (5.1 - 5.5) besteht, die jeweils konzentrisch gewunden angeordnet sind.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr (1) einen Außendurchmesser von maximal 12mm hat.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Heizdrähte (5.1 - 5.5) an den Enden (1.1) im Inneren von Hülsen erfolgt ist, insbesondere von Hülsen, die nach Einführen der Heizdrähte (5.1 - 5.5) verquetscht sind.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Heizdrähte (5.1 - 5.5) an den Enden (1.1) an Anschlussstiften (2, 4) durch Verschweißen, insbesondere durch Punktschweißen erfolgt ist.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung der Heizdrähte (5.1 - 5.5) an Befestigungspunkten (6.1 - 6.5) eines Anschlussstiftes (2) erfolgt, die axial versetzt, insbesondere axial untereinander angeordnet sind.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand nach der Fertigung entlang der gestreckten beheizten Länge des Mantelrohres kleiner 1 Ohm/m ist.
Leistungsstarker Mantelrohrheizkörper nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung der Heizdrähte (5.1 - 5.5) einen spezifischen Widerstand von weniger als 0,8 Ohm mm²/m hat, insbesondere weniger als 0,4 Ohm mm²/m hat.
Leistungsstarker Kompaktheizer mit mindestens einem Mantelrohrheizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelrohrheizkörper wendelartig und/oder spiralförmig und/oder mäanderförmig gebogen ist, wobei mindestens eine Biegung mindestens 90° und einen mittigen Biegeradius von höchstens dem doppelten Mantelrohrdurchmesser aufweist.