DE102022203470A1

DE102022203470A1 - Elektrischer Durchlauferhitzer und Verfahren zur Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers

Info

Publication number: DE102022203470A1
Application number: DE102022203470.8A
Authority: DE
Inventors: Guido Bernd Finnah; Joerg Engelhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer (10) zur Erwärmung eines Fluids (240), und ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers (10), wobei der elektrische Durchlauferhitzer (10) wenigstens einen Wärmetauscher (25) mit wenigstens einem ersten Wärmetauscherblock (45), eine Elektrodenanordnung (30) und eine Heizeinrichtung (35) aufweist, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) wenigstens eine Kanalanordnung (190) mit mehreren zur Führung des Fluids (240) ausgebildeten, sich entlang einer ersten Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) in einer ersten Richtung (x) erstreckenden Fluidkanälen (195) aufweist, wobei die Elektrodenanordnung (30) wenigstens eine erste Elektrode (155) und eine zur ersten Elektrode (155) beabstandet angeordnete zweite Elektrode (160) aufweist, wobei die Heizeinrichtung (35) wenigstens ein erstes, vorzugsweise blockförmig ausgebildetes, Heizelement (135) aufweist, das zwischen der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) angeordnet ist und elektrisch und mechanisch jeweils mit der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) verbunden ist, wobei das erste Heizelement (135) thermisch mit der ersten Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks (45) verbunden ist, wobei das erste Heizelement (135) bei Bestromung über die erste Elektrode (155) und zweite Elektrode (160) ausgebildet ist, den ersten Wärmetauscherblock (45) zu erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers gemäß Patentanspruch 14.
Stand der Technik
Aus DE 10 2012 212 798 A1 ist ein elektrisches Heizelement und ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Heizelements bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten elektrischen Durchlauferhitzer und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines elektrischen Durchlauferhitzers gemäß Patentanspruch 1 und mittels eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wurde erkannt, dass ein verbesserter elektrischer Durchlauferhitzer zur Erwärmung eines Fluids dadurch bereitgestellt werden kann, dass der elektrische Durchlauferhitzer wenigstens einen Wärmetauscher mit wenigstens einem ersten Wärmetauscherblock, eine Elektrodenanordnung und eine Heizeinrichtung aufweist. Der erste Wärmetauscherblock weist wenigstens eine Kanalanordnung mit mehreren zur Führung des Fluids ausgebildeten, sich entlang einer ersten Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks in einer ersten Richtung erstreckenden Fluidkanälen auf. Die Elektrodenanordnung weist wenigstens eine erste Elektrode und eine zur ersten Elektrode beabstandet angeordnete zweite Elektrode auf. Die Heizeinrichtung weist wenigstens ein erstes, vorzugsweise blockförmig ausgebildetes, Heizelement auf, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und elektrisch jeweils mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden ist. Das erste Heizelement ist thermisch mit der ersten Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks verbunden. Das erste Heizelement ist ausgebildet, bei Bestromung über die erste Elektrode und zweite Elektrode den ersten Wärmetauscherblock zu erwärmen.
Durch die Ausgestaltung des Wärmetauschers mittels des ersten Wärmetauscherblocks, der beispielsweise aus einem Stranggussmaterial gefertigt ist, kann der elektrische Durchlauferhitzer besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dabei kann der Wärmetauscherblock durch seine beispielsweise blockförmige/plattenförmige Ausgestaltung eine große Anlagefläche zur Anlage des ersten Heizelements bereitstellen. Ferner ist dadurch eine gute thermische Anbindung zu dem ersten Heizelement sichergestellt. Ebenso kann das erste Heizelement durch seine beispielsweise blockförmige Ausgestaltung besonders viel Wärme bei Bestromung bereitstellen, um den ersten Wärmetauscherblock zu erwärmen. Insgesamt weist durch diese Ausgestaltung der elektrische Durchlauferhitzer eine besonders geringe Bauteilanzahl auf. Von besonderem Vorteil ist, wenn die erste und/oder die zweite Elektrode mechanisch mit dem ersten Heizelement verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Wärmetauscherblock und/oder das erste Heizelement plattenförmig und/oder bogenförmig und/oder schalenförmig und/oder blockförmig ausgebildet. Die Fluidkanäle sind zusätzlich oder alternativ in dem ersten Wärmetauscherblock parallel zueinander verlaufend angeordnet. Von besonderem Vorteil ist, wenn die Fluidkanäle fluidisch voneinander getrennt zueinander verlaufend angeordnet sind. Jeder der Fluidkanäle ist parallel zu der ersten Seitenfläche ausgerichtet. Dadurch kann der erste Wärmetauscherblock besonders einfach und kostengünstig in wenigen Herstellungsschritten hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Fluidkanäle jeweils im Wesentlichen in einem ersten Abstand zu der ersten Seitenfläche angeordnet. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass ein Wärmewiderstand zwischen der ersten Seitenfläche des Wärmetauscherblocks und innenseitig des Fluidkanals über die Fluidkanäle jeweils im Wesentlichen identisch ist. Dadurch kann eine gleichmäßige thermische Erwärmung des in den Fluidkanälen strömenden Fluids sichergestellt werden. Gleichzeitig wird eine lokale Überhitzung des ersten Heizelements vermieden. Dadurch wird auch ein besonders langlebiges erstes Heizelement erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform ist jeder der Fluidkanäle jeweils im Wesentlichen in einem zweiten Abstand zu dem nächstliegenden Fluidkanal angeordnet. Durch die gleichmäßige Beabstandung der Fluidkanäle untereinander ist die Herstellung des Wärmetauscherblocks besonders einfach, da dadurch die Stranggussform besonders einfach und kostengünstig ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Wärmetauscherblock einstückig und materialeinheitlich aus einem wärmeleitenden ersten Werkstoff gefertigt. Der erste Wärmetauscherblock weist vorteilhafterweise wenigstens einen der folgenden ersten Werkstoffe auf: Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Messing, Bronze, Metall, metallische Legierung. Von besonderem Vorteil ist, wenn der erste Wärmetauscherblock stranggegossen ist. Dadurch weist der erste Wärmetauscherblock in seiner Längserstreckung hin im Wesentlichen eine identische Querschnittsausgestaltung auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmetauscher zumindest an der ersten Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks eine Beschichtung auf, die die erste Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks zumindest bereichsweise bedeckt. Die Beschichtung isoliert elektrisch den ersten Wärmetauscherblock von der Heizeinrichtung. Von besonderem Vorteil ist, wenn die Beschichtung eine Schichtdicke von einschließlich 1 µm bis 100 µm, vorteilhafterweise 5 µm bis 20 µm, aufweist. Vorzugsweise weist die Beschichtung wenigstens einen der folgenden elektrisch isolierenden zweiten Werkstoffe auf: Keramik, Silikon, Aluminiumoxid, Kunststoff, Harz. Von besonderem Vorteil ist, wenn die Beschichtung aufeloxiert ist. Die elektrische Isolierung der Heizeinrichtung von dem ersten Wärmetauscherblock stellt sicher, dass Kriechströme über den Wärmetauscherblock zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode vermieden werden. Durch die dünne Ausgestaltung der Beschichtung mit der Schichtdicke von einschließlich 1 µm bis 100 µm, vorteilhafterweise 5 µm bis 20 µm, wird eine gute thermische Durchgängigkeit und nur ein geringer Wärmewiderstand der Beschichtung sichergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode plattenförmig ausgebildet. Die Fluidkanäle sind jeweils parallel zu der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode ausgerichtet. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode ist geneigt, vorzugsweise senkrecht, zu der ersten Seitenfläche ausgerichtet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine gute elektrische Anbindung des ersten Heizelements der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode sichergestellt ist. Ferner wird durch die plattenförmig ausgebildeten Elektroden eine gleichmäßige Erwärmung des ersten Heizelements sichergestellt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode im Wesentlichen die gleiche Erstreckung entlang der ersten Richtung aufweisen wie das erste Heizelement.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Heizeinrichtung ein zweites, vorzugsweise blockförmig, ausgebildetes Heizelement auf, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und elektrisch jeweils mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verbunden ist. Von besonderem Vorteil ist, wenn die erste und/oder die zweite Elektrode mechanisch mit dem zweiten Heizelement verbunden ist. Das zweite Heizelement ist zur ersten Seitenfläche des ersten Wärmetauscherblocks gegenüberliegend angeordnet und thermisch mit dem ersten Wärmetauscherblock verbunden. Das zweite Heizelement ist ausgebildet, bei Bestromung über die erste Elektrode und zweite Elektrode den ersten Wärmetauscherblock zu erwärmen. Durch die Anordnung des ersten Wärmetauscherblocks zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement kann der erste Wärmetauscherblock beidseitig erwärmt werden. Dadurch kann das in dem ersten Wärmetauscherblock strömende Fluid besonders schnell von einer Ausgangstemperatur auf eine gewünschte Endtemperatur erwärmt werden. Durch das beidseitige Beheizen des ersten Wärmetauscherblocks kann somit besonders viel Wärme durch die Heizeinrichtung in den ersten Wärmetauscherblock eingebracht werden, um das Fluid zu erwärmen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Wärmetauscherblock eine erste Kontaktseite und eine in der ersten Richtung gegenüberliegend zu der ersten Kontaktseite angeordnete zweite Kontaktseite auf, wobei der Wärmetauscher einen ersten Endblock mit einer ersten Anschlussseite und einen zweiten Endblock mit einer zweiten Anschlussseite aufweist. An der ersten Kontaktseite liegt der erste Endblock an der ersten Anschlussseite des ersten Wärmetauscherblocks an. Der zweite Endblock ist in der ersten Richtung gegenüberliegend zu dem ersten Endblock angeordnet und liegt mit der zweiten Anschlussseite an der zweiten Kontaktseite des ersten Wärmetauscherblocks an. Zwischen dem ersten Endblock und dem zweiten Endblock ist die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode angeordnet. Dadurch kann der elektrische Durchlauferhitzer besonders kompakt ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Endblock eine erste Verteilerkanalanordnung mit wenigstens einem ersten Verteilerkanal auf. Der erste Verteilerkanal mündet in der ersten Anschlussseite und ist mit dem Fluidkanal und einem nächstliegend zum Fluidkanal angeordneten weiteren Fluidkanal der Kanalanordnung fluidisch verbunden. Der zweite Endblock weist eine zweite Verteilerkanalanordnung mit wenigstens einem zweiten Verteilerkanal auf. Der zweite Verteilerkanal mündet in der zweiten Anschlussseite und ist mit dem Fluidkanal auf einer zum ersten Verteilerkanal gegenüberliegenden Seite fluidisch verbunden. Der erste Verteilerkanal und der zweite Verteilerkanal sind derart ausgebildet, dass die Fluidkanäle seriell bezogen auf eine Strömungsrichtung des Fluids verschaltet angeordnet sind. Insbesondere kann beispielsweise der erste Verteilerkanal U-förmig und/oder derart ausgebildet sein, dass das Fluid um 180° umgelenkt wird, um das Fluid, das aus dem Fluidkanal strömt, in den nächstliegend in der zweiten Richtung angeordneten weiteren Fluidkanal hineinzuführen. Dadurch durchströmt das Fluid die Fluidkanäle der Kanalanordnung sequentiell und wird bei jedem Durchströmen des ersten Wärmetauscherblocks weiter erwärmt. Dadurch kann das Fluid auf eine besonders hohe Endtemperatur erwärmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmetauscher des elektrischen Durchlauferhitzers einen zweiten Wärmetauscherblock auf, wobei der zweite Wärmetauscherblock gegenüberliegend zu der ersten Seitenfläche in der zweiten Richtung angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscherblock weist wenigstens eine Kanalanordnung mit mehreren zur Führung des Fluids ausgebildeten Fluidkanälen auf. Vorzugsweise kann der zweite Wärmetauscherblock identisch zum ersten Wärmetauscherblock ausgebildet sein. Das erste Heizelement ist zwischen dem ersten Wärmetauscherblock und dem zweiten Wärmetauscherblock angeordnet. Das erste Heizelement ist ausgebildet, bei Bestromung über die erste Elektrode und zweite Elektrode den ersten Wärmetauscherblock und den zweiten Wärmetauscherblock zu erwärmen. Die Anordnung des ersten Heizelements zwischen dem ersten Wärmetauscherblock und dem zweiten Wärmetauscherblock hat den Vorteil, dass nur ein Heizelement notwendig ist, um den ersten Wärmetauscherblock und den zweiten Wärmetauscherblock zu erwärmen. Dadurch ist der elektrische Durchlauferhitzer besonders einfach ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Wärmetauscherblock zwischen dem ersten Endblock und dem zweiten Endblock angeordnet. Die erste Verteilerkanalanordnung und/oder die zweite Verteilerkanalanordnung verbindet die Kanalanordnung des ersten Wärmetauscherblocks mit der Kanalanordnung des zweiten Wärmetauscherblocks. Insbesondere kann hierbei die erste Verteilerkanalanordnung und/oder die zweite Verteilerkanalanordnung derartig ausgebildet sein, dass das Fluid die Kanalanordnung des ersten Wärmetauscherblocks und die Kanalanordnung des zweiten Wärmetauscherblocks seriell durchströmt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Heizelement wenigstens ein Matrixmaterial und ein in dem Matrixmaterial eingebettetes elektrisch leitfähiges Füllmaterial auf. Das Matrixmaterial ist vorzugsweise einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Das Matrixmaterial weist vorzugweise wenigstens einen der folgenden dritten Werkstoffe aufweist: Elastomer, hitzebeständiges Elastomer, Silikon, Fluorsilikon bis zu einer Temperatur von 200°C, insbesondere von 250°C, dauerhaft hitzebeständiger Kunststoff. Das Füllmaterial weist zusätzlich oder alternativ wenigstens einen der folgenden vierten Werkstoffe auf: Kohlenstoff, Graphit, Leitruß, Metallpartikel, Metallfasern, Carbon Nanotubes. Dadurch kann das erste Heizelement auf einfache Weise, beispielsweise in einem Spritzguss, an dem ersten Wärmetauscherblock hergestellt werden.
Ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen elektrischen Durchlauferhitzers kann dadurch bereitgestellt werden, dass der erste Wärmetauscherblock und die Elektrodenanordnung bereitgestellt werden. Der erste Wärmetauscherblock wird zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Ein Gemisch aus einem ersten Vorprodukt und einem Füllmaterial wird seitlich des ersten Wärmetauscherblocks angeordnet. Das Anordnen kann insbesondere ein Einspritzen und/oder ein Anspritzen sein. Das Gemisch bildet eine thermische und vorzugsweise eine mechanische Verbindung zu der Elektrodenanordnung und dem Wärmetauscher aus. Das Gemisch wird zu dem ersten Heizelement ausgehärtet. Alternativ wird seitlich an der ersten Seitenfläche das ausgehärtete erste Heizelement angeordnet und thermisch mit dem ersten Wärmetauscherblock verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der elektrische Durchlauferhitzer mit besonders wenig Verfahrensschritten einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Von besonderem Vorteil ist, wenn der erste Wärmetauscherblock, vorzugsweise zeitlich vor Anordnen der ersten Heizelements, zumindest an der ersten Seitenfläche beschichtet wird. Vorzugsweise wird der erste Wärmetauscherblock zumindest an der ersten Seitenfläche eloxiert. Zusätzlich oder alternativ kann vorzugsweise der erste Wärmetauscherblock zumindest mit einem zweiten Werkstoff zur Ausbildung der Beschichtung umspritzt werden. Dadurch kann die Beschichtung besonders kostengünstig hergestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Durchlauferhitzers gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene A-A durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer;
3 eine perspektivische Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer;
4 eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch einen Wärmetauscherblock des in den 1 bis 3 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzers;
5 eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer;
6 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene C-C durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer;
7 einen Ausschnitt einer Schnittansicht entlang einer in 6 gezeigten Schnittebene D-D durch den ersten Endblock;
8 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Endblock;
9 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene F-F durch den elektrischen Durchlauferhitzer;
10 eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer in aktiviertem Zustand;
11 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch einen Ausschnitt eines Wärmetauschers eines Durchlauferhitzers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
12 eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer gemäß einer dritten Ausführungsform;
13 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer gemäß einer vierten Ausführungsform;
14 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch einen elektrischen Durchlauferhitzer gemäß einer fünften Ausführungsform.

In den nachfolgenden Figuren wird zum erleichterten Verständnis auf ein Koordinatensystem Bezug genommen. Das Koordinatensystem ist beispielhaft als Rechtssystem ausgebildet und weist eine x-Achse (Längsrichtung), eine y-Achse (Querrichtung) und eine z-Achse (Höhenrichtung) auf.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Durchlauferhitzers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 ist beispielsweise als Wasserdurchlauferhitzer ausgebildet. Auch kann der elektrische Durchlauferhitzer 10 als Haushaltswasserdurchlauferhitzer ausgebildet sein. Auch kann der elektrische Durchlauferhitzer 10 beispielsweise in einem elektrischen Gerät, beispielsweise einem elektrischen Haushaltsgerät, wie beispielsweise einer Spülmaschine oder einer Waschmaschine, installiert sein.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 weist beispielhaft einen ersten Anschluss 15, einen zweiten Anschluss 20, einen Wärmetauscher 25, eine Elektrodenanordnung 30 und eine in 1 im Wesentlichen verdeckt angeordnete Heizeinrichtung 35 auf. Ferner kann der elektrische Durchlauferhitzer 10 zusätzlich einen Träger 40 aufweisen.
Mit dem ersten Anschluss 15, der beispielsweise als Zulauf ausgebildet sein kann, ist der elektrische Durchlauferhitzer 10 beispielsweise mit einer Frischwasserzufuhr elektrisch verbindbar. Mit dem zweiten Anschluss 20, der beispielsweise als Ablauf ausgebildet sein kann, kann der elektrische Durchlauferhitzer 10 beispielsweise bei einer Anwendung als Haushaltswasserdurchlauferhitzer mit einer Zapfstelle fluidisch verbunden sein.
Der Wärmetauscher 25 weist beispielhaft wenigstens einen ersten Wärmetauscherblock 45 auf (strichliert in 1 angedeutet). Zusätzlich kann der Wärmetauscher 25 einen zweiten Wärmetauscherblock 50 und gegebenenfalls weitere Wärmetauscherblöcke 55 aufweisen (strichliert in 1 angedeutet). In der Ausführungsform weist beispielhaft der Wärmetauscher 25 einen dritten Wärmetauscherblock 55 auf. Beidseitig des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 bezogen auf die Längsrichtung weist der Wärmetauscher 25 einen ersten Endblock 60 und vorzugsweise einen zweiten Endblock 65 beispielhaft auf. Der erste Endblock 60 ist in der Ausführungsform beispielhaft mittels eines Befestigungsmittels 70 mit dem zweiten Wärmetauscherblock 50 verbunden. Das Befestigungsmittel 70 kann eine Anordnung von Schraubverbindungen 75 umfassen, wobei jede der Schraubverbindungen 75 beabstandet zueinander angeordnet sind und jeweils den Endblock 60, 65 durchgreifen. In Längsrichtung ist jeweils der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 angeordnet und durch das Befestigungsmittel 70 in Längsrichtung vorzugsweise verspannt zwischen dem ersten Endblock 60 und dem zweiten Endblock 65 angeordnet.
Der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 ist in der Ausführungsform beispielhaft stehend auf dem plattenförmig ausgebildeten Träger 40 angeordnet. Der Träger 40 erstreckt sich im Wesentlichen in einer xy-Ebene und ist unterseitig des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 angeordnet. Ferner ist jeweils anschließend an ein Längsende des Trägers 40 jeweils der zugeordnete Endblock 60, 65 angeordnet.
2 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene A-A durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10.
Auf dem Träger 40 ist oberseitig der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 angeordnet. In der Ausführungsform sind der erste bis dritte Wärmetauscherblock 45, 50, 55 jeweils identisch zueinander ausgebildet. Im Folgenden wird ausschließlich der erste Wärmetauscherblock 45 erläutert. Sofern nicht anders beschrieben, gilt das für den ersten Wärmetauscherblock 45 Erläuterte ebenso für den zweiten und/oder dritten Wärmetauscherblock 50, 55.
Der erste Wärmetauscherblock 45 ist stehend auf einer Oberseite des Trägers 40 angeordnet. Der erste Wärmetauscherblock 45 und/oder der zweite Wärmetauscherblock 50 und/oder der dritte Wärmetauscherblock 55 ist plattenförmig und/oder blockförmig ausgebildet und erstreckt sich in seiner Haupterstreckung im Wesentlichen in einer xz-Ebene. Somit ist der erste Wärmetauscherblock 45 im Wesentlichen senkrecht stehend zu dem Träger 40 ausgerichtet, der sich im Wesentlichen quer zu dem ersten Wärmetauscherblock 45 erstreckt. Dabei wird unter blockförmig verstanden, dass eine Außenkontur des ersten Wärmetauscherblocks 45 im Wesentlichen rechteckförmig ist. Ferner kann unter blockförmig weiter verstanden werden, dass eine erste maximale Erstreckung in Querrichtung größer oder gleich einem Drittel einer zweiten maximalen Erstreckung in Höhenrichtung beträgt, wobei eine Längserstreckung größer als die erste und zweite Erstreckung ist. Unter plattenförmig wird verstanden, dass die Außenkontur des ersten Wärmetauscherblocks 45 im Wesentlichen rechteckförmig ist. Ferner kann unter plattenförmig weiter verstanden werden, dass die erste maximale Erstreckung in Querrichtung größer oder gleich einem Zwanzigstel der zweiten maximalen Erstreckung und vorzugsweise kleiner einem Drittel der zweiten Erstreckung beträgt, wobei die Längserstreckung größer als die erste und zweite Erstreckung ist.
Der erste Wärmetauscherblock 45 ist in Querrichtung (y-Richtung) beabstandet zu dem zweiten Wärmetauscherblock 50 angeordnet. Der zweite Wärmetauscherblock 50 ist beabstandet in Querrichtung zu dem dritten Wärmetauscherblock 55 angeordnet. Dabei ist der dritte Wärmetauscherblock 55 in Querrichtung auf einer zum ersten Wärmetauscherblock 45 abgewandten Seite angeordnet.
Der erste Endblock 60 ist im Wesentlichen quer zur Ausrichtung des Trägers 40 und des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 ausgerichtet. Der erste Endblock 60 weist eine erste Anschlussseite 76 auf. An der ersten Anschlussseite 76, die sich im Wesentlichen in einer yz-Ebene erstreckt und auf der zum Wärmetauscherblock 45, 50, 55 zugewandten Seite angeordnet ist, weist der erste Endblock 60 eine erste Aufnahme 80 auf. Die erste Aufnahme 80 ist jeweils einem Wärmetauscherblock 45, 50, 55 zugeordnet. In der Ausführungsform weist der zweite Endblock 65 für jeden Wärmetauscherblock 45, 50, 55 jeweils eine erste Aufnahme 80 auf. Die erste Aufnahme ist nutförmig ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen in z-Richtung und ist zur ersten Anschlussseite 76 hin offen ausgebildet.
In der Ausführungsform weist der erste Endblock 60 für jeden der vorgesehenen Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 jeweils eine erste Aufnahme 80 auf. In montiertem Zustand des Durchlauferhitzers 10 greift der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 mit jeweils einem Längsende 85 in die erste Aufnahme 80 ein. Zusätzlich kann in der ersten Aufnahme 80 ferner ein erstes Dichtmittel 90 angeordnet sein, um den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 in der ersten Aufnahme 80 abzudichten. In Längsrichtung (x-Richtung) gegenüberliegend ist der zweite Endblock 65 des Wärmetauschers 25 angeordnet.
In Längsrichtung (x-Richtung) gegenüberliegend ist im Wesentlichen parallel zum ersten Endblock 60 der zweite Endblock 65 angeordnet. Der zweite Endblock 65 erstreckt sich im Wesentlichen in einer yz-Ebene und ist oberseitig auf dem Träger 40 angeordnet. Der zweite Endblock 65 weist eine zweite Anschlussseite 95 auf. Die zweite Anschlussseite 95 ist dem Wärmetauscherblock 45, 50, 55 zugewandt. Die zweite Anschlussseite 95 weist in der Ausführungsform wenigstens eine zweite Aufnahme 100 auf. Die zweite Aufnahme 100 ist jeweils einem Wärmetauscherblock 45, 50, 55 zugeordnet. In der Ausführungsform weist der zweite Endblock 65 für jeden Wärmetauscherblock 45, 50, 55 jeweils eine zweite Aufnahme 100 auf. Die zweite Aufnahme 100 kann wie die erste Aufnahme 80 ausgebildet sein. In der Ausführungsform ist die zweite Aufnahme 100 nutförmig im Wesentlichen in Höhenrichtung verlaufend ausgebildet. Dabei ist die zweite Aufnahme 100 auf der zum Wärmetauscherblock 45, 50, 55 zugewandten Seite offen. Der zweite Endblock 65 weist ferner wenigstens ein zweites Dichtmittel 110 auf, wobei das zweite Dichtmittel 110 jeweils in der zweiten Aufnahme 100 angeordnet ist. In der Ausführungsform ist in jeder der zweiten Aufnahmen 100 jeweils das zweite Dichtmittel 110 angeordnet.
Der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 weist stirnseitig am ersten Längsende eine erste Kontaktseite 115 und eine in x-Richtung gegenüberliegend an dem zweiten Längsende 120 angeordnete zweite Kontaktseite 125 auf. An der ersten Kontaktseite 115 greift der erste Wärmetauscherblock 45 mit einem ersten Teilbereich in die erste Aufnahme 80 ein. Dabei durchgreift der erste Teilbereich des ersten Wärmetauscherblocks 45 das erste Dichtmittel 90, sodass das erste Dichtmittel 90 umfangsseitig den ersten Wärmetauscherblock 45 umgreift. Das erste Dichtmittel 90 dichtet den ersten Wärmetauscherblock 45 in der ersten Aufnahme 80 fluidisch gegenüber einer Umgebung 130 des elektrischen Durchlauferhitzers 10 ab. In Längsrichtung gegenüberliegend greift an der zweiten Kontaktseite 125 der erste Wärmetauscherblock 45 mit einem zweiten Teilbereich in die zweite Aufnahme 100 ein. Dabei durchgreift der erste Wärmetauscherblock 45 vorzugsweise das zweite Dichtmittel 110, wobei das zweite Dichtmittel 110 den ersten Wärmetauscherblock 45 in der zweiten Aufnahme 100 fluidisch gegenüber der Umgebung 130 abdichtet.
Wie bereits oben erwähnt, erfolgt die Befestigung des zweiten Wärmetauscherblocks 50 und des dritten Wärmetauscherblocks 55 in analoger Weise zum ersten Wärmetauscherblock 45. Ebenso greifen beidseitig an dem jeweiligen Längsende 85, 120 mit der ersten und zweiten Kontaktseite 115, 125 der zweite Wärmetauscherblock 50 und der dritte Wärmetauscherblock 55 jeweils in die zugeordnete Aufnahme 80, 100 ein.
Die Heizeinrichtung 35 weist beispielhaft ein erstes Heizelement 135 auf. Das erste Heizelement 135 erstreckt sich im Wesentlichen zwischen dem ersten Endblock 60 und dem zweiten Endblock 65. Das erste Heizelement 135 ist thermisch mit dem ersten Wärmetauscherblock 45 an einer ersten Querseite und an einer zur ersten Querseite gegenüberliegenden zweiten Querseite mit dem zweiten Wärmetauscherblock 50 verbunden. Beispielhaft füllt das erste Heizelement 135 einen ersten Spalt 140 zwischen dem ersten Wärmetauscherblock 45 und dem zweiten Wärmetauscherblock 50 im Wesentlichen vollständig und im Wesentlichen spaltfrei aus. Der erste Spalt 140 weist in Querrichtung eine erste Breite b1 auf. Insbesondere ist das erste Heizelement 135 in den ersten Spalt 140 zwischen dem ersten Wärmetauscherblock und dem zweiten Wärmetauscherblock 50 eingegossen. Insbesondere kann das erste Heizelement 135 spritzgegossen sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass Hohlräume und/oder Spalten und/oder Lunker in dem ersten Spalt 140 vermieden werden können. Dabei erstreckt sich das erste Heizelement 135 bis hin zum ersten und/oder zweiten Dichtmittel 90, 110 und kann in die Aufnahme 80, 100 eingreifen.
In der Ausführungsform ist das erste Heizelement 135 beispielhaft stoffschlüssig mit dem ersten Wärmetauscherblock 45 und/oder dem zweiten Wärmetauscherblock 50 verbunden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Durchlauferhitzer 10 mechanisch besonders stabil ist. Ferner wird ein guter Wärmeübertrag zwischen dem ersten Heizelement 135 und dem ersten Wärmetauscherblock 45 sichergestellt.
Die Heizeinrichtung 35 weist ferner beispielhaft ein zweites Heizelement 145 auf. Das zweite Heizelement 145 ist blockförmig ausgebildet und ist in einem zweiten Spalt 150 angeordnet. Der zweite Spalt 150 erstreckt sich zwischen dem zweiten Wärmetauscherblock 50 und dem dritten Wärmetauscherblock 55 und weist in Querrichtung eine zweite Breite b2 auf. Beispielhaft wird der zweite Spalt 150 im Wesentlichen vollständig durch das zweite Heizelement 145 verfüllt. Der zweite Spalt 150 erstreckt sich in Längsrichtung zwischen der ersten Anschlussseite 76 und der zweiten Anschlussseite 95. Wie der erste Spalt 140 ist der zweite Spalt 150 im Wesentlichen vollständig durch das zweite Heizelement 145 verfüllt. In der Ausführungsform sind somit das erste Heizelement 145 und das zweite Heizelement 145 im Wesentlichen identisch ausgebildet.
3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10.
Die Elektrodenanordnung 30 weist eine erste Elektrode 155 und eine zweite Elektrode 160 auf. Die erste Elektrode 155 und die zweite Elektrode 160 können identisch zueinander ausgebildet sein. In der Ausführungsform sind sowohl die erste Elektrode 155 als auch die zweite Elektrode 160 plattenförmig ausgebildet. Beispielhaft sind die erste Elektrode 155 und/oder die zweite Elektrode 160 aus einem dünnwandigen Material, vorzugsweise Blech, hergestellt. Von besonderem Vorteil ist, wenn die Elektrodenanordnung 30 ausschließlich die erste Elektrode 155 und die zweite Elektrode 160 aufweist und auf weitere Elektroden verzichtet wird.
Die erste Elektrode 155 schließt sich oberseitig auf der zum Träger 40 abgewandten Seite an den ersten Spalt 140 und vorzugweise an den zweiten Spalt 150 an. Dabei begrenzt die erste Elektrode 155 oberseitig den ersten Spalt 140 und den zweiten Spalt 150. In Querrichtung kann die erste Elektrode 155 breiter als eine gemeinsame maximale dritte Breite b der Heizeinrichtung 35 in Querrichtung ausgebildet sein. Somit überdeckt in der Ausführungsform die erste Elektrode 155 nicht nur das erste und zweite Heizelement 135, 145, sondern schließt sich oberseitig auch an den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 an und bedeckt beispielhaft in der Ausführungsform oberseitig den Wärmetauscher 25, vorzugsweise vollständig, in Querrichtung.
Die erste Elektrode 155 erstreckt sich in Längsrichtung (x-Richtung) zwischen der ersten Anschlussseite 76 und der zweiten Anschlussseite 95. Dabei kann ein schmaler Längsspalt zwischen der Anschlussseite 76, 95 und der ersten Elektrode 155 vorgesehen sein, um eine elektrische Isolierung der ersten Elektrode 155 gegenüber dem Endblock 60, 65 sicherzustellen.
In Höhenrichtung gegenüberliegend zur ersten Elektrode 155 ist die zweite Elektrode 160 angeordnet. Somit ist die zweite Elektrode 160 zwischen dem Träger 40 und der Heizeinrichtung 35 sowie dem Wärmetauscher 25 angeordnet. Die zweite Elektrode 160 begrenzt in z-Richtung auf der zum Träger 40 zugewandten Seite unterseitig den Spalt 140, 150. Die zweite Elektrode 160 kann elektrisch gegenüber dem Träger 40 isoliert sein. Alternativ können auch der Träger 40 und die zweite Elektrode 160 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet sein. Auch können der Träger 40 und die zweite Elektrode 160 elektrisch miteinander kontaktiert und verbunden sein. Die zweite Elektrode 160 kann in Querrichtung die gleiche Ausgestaltung wie die erste Elektrode 155 aufweisen. Somit überragt die zweite Elektrode 160 in Querrichtung die maximale dritte Breite b der Heizeinrichtung 35 und bedeckt somit unterseitig auch zumindest teilweise den ersten Wärmetauscherblock 45 und den dritten Wärmetauscherblock 55.
Zur Vermeidung der elektrischen Kontaktierung kann, wie auch bei der ersten Elektrode 155, der Längsspalt 165 zwischen der zweiten Elektrode 160 und dem jeweiligen Endblock 60, 65 und dessen Anschlussseite 76, 95 vorgesehen sein.
4 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 des in den 1 bis 3 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzers 10.
Der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 ist einstückig und materialeinheitlich aus einem wärmeleitenden ersten Werkstoff gefertigt. Dabei wird unter einem wärmeleitenden Werkstoff verstanden, dass eine Wärmeleitfähigkeit des ersten Werkstoffs > 15 W/m . K ist. Ergänzend wird erwähnt, dass die Wärmeleitfähigkeit des ersten Werkstoffs kleiner, vorzugsweise 6000 W/(m . K) ist. Von besonderem Vorteil ist, wenn der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 wenigstens einen der folgenden ersten Werkstoffe aufweist: Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl.
Der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 weist jeweils eine erste Seitenfläche 170 und eine in Querrichtung gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche 170 angeordnete zweite Seitenfläche 175 auf. Die erste Seitenfläche 170 ist plan ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen in einer xz-Ebene. Die zweite Seitenfläche 175 verläuft vorzugsweise parallel zu der ersten Seitenfläche 170. Die zweite Seitenfläche 175 ist vorzugsweise ebenso plan ausgebildet. Die erste Seitenfläche 170 und die zweite Seitenfläche 175 erstrecken sich im Wesentlichen über eine gesamte Erstreckung des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55. An einem oberen Ende verbindet eine Oberseite 180 die erste Seitenfläche 170 mit der zweiten Seitenfläche 175. Eine Unterseite 185 verbindet unterseitig die erste Seitenfläche 170 mit der zweiten Seitenfläche 175 in Querrichtung. Sowohl die Oberseite 180 als auch die Unterseite 185 können verrundet ausgebildet sein. Auch eine alternative Ausgestaltung der Oberseite 180 und/oder der Unterseite 185 ist denkbar, insbesondere kann die Oberseite 180 und/oder die Unterseite 185 plan ausgebildet sein.
Der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 weist in Längsrichtung im Wesentlichen über seine gesamte Erstreckung hin einen identischen Querschnitt auf. Ferner weist der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 jeweils eine Kanalanordnung 190 auf. Die Kanalanordnung 190 weist mehrere in Höhenrichtung versetzt zueinander angeordnete Fluidkanäle 195 auf. Die Fluidkanäle 195 sind in einem vordefinierten ersten Abstand a1 zu der ersten Seitenfläche 170 angeordnet. Dabei ist der erste Abstand a1 jeder der Fluidkanäle 195 zu der ersten Seitenfläche 170 identisch. Auch sind die Fluidkanäle 195 zueinander in einem identischen zweiten Abstand a2 (in z-Richtung) zueinander angeordnet. Ferner ist ein dritter Abstand a3 des Fluidkanals 195 zu der zweiten Seitenfläche 175 identisch zu dem ersten Abstand a1. Beispielhaft weist die Kanalanordnung 190 eine regelmäßige Ausgestaltung der Fluidkanäle 195 auf. Die Fluidkanäle 195 erstrecken sich entlang der ersten Seitenfläche 170 geradlinig zwischen der ersten Kontaktseite 115 und der zweiten Kontaktseite 125. Dabei mündet jeder der Fluidkanäle 195 an der ersten Kontaktseite 115 und an der zweiten Kontaktseite 125. In der Ausführungsform weist beispielhaft der Fluidkanal 195 in dem in 4 gezeigten Querschnitt entlang der Schnittebene B-B durch den ersten Wärmetauscherblock 45 eine rechteckförmige Ausgestaltung auf. Auch kann der Fluidkanal 195 einen andersartigen Querschnitt aufweisen. So wäre beispielsweise denkbar, dass der Fluidkanal 195 beispielsweise bohrungsartig ausgebildet ist. Die rechteckförmige Ausgestaltung des Fluidkanals 195 hat jedoch den Vorteil, dass eine Querschnittsfläche des Fluidkanals 195 maximiert ist.
5 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10.
In der Ausführungsform ist die erste Seitenfläche 170 des ersten Wärmetauscherblocks 45 dem ersten Spalt 140 zugewandt und begrenzt den ersten Spalt 140 in Querrichtung. Die zweite Seitenfläche 175 des ersten Wärmetauscherblocks 45 kann in der Ausführungsform unbedeckt sein. Insbesondere schließt sich an die zweite Seitenfläche 175 in der Ausführungsform kein weiteres Heizelement 135, 145 der Heizeinrichtung 35 an.
Der zweite Wärmetauscherblock 50 ist beidseitig in Querrichtung durch die Heizeinrichtung 35 bedeckt. So schließt sich an die erste Seitenfläche 170, die dem dritten Wärmetauscherblock 55 zugewandt ist und den zweiten Spalt 150 begrenzt, das zweite Heizelement 145 an. Das zweite Heizelement 145 bedeckt dabei im Wesentlichen vollständig die erste Seitenfläche 170 des zweiten Wärmetauscherblocks 50. Auf der zum ersten Wärmetauscherblock 45 zugewandten zweiten Seitenfläche 175 wird der zweite Wärmetauscherblock 50 im Wesentlichen vollständig durch das erste Heizelement 135 der Heizeinrichtung 35 bedeckt.
Der dritte Wärmetauscherblock 55 ist analog zum ersten Wärmetauscherblock 45 nur einseitig durch die Heizeinrichtung 35 bedeckt. In der Ausführungsform ist dabei das zweite Heizelement 145 an der zweiten Seitenfläche 175 des dritten Wärmetauscherblocks 55 angeordnet.
Von besonderem Vorteil ist, wenn das erste Heizelement 135 und/oder das zweite Heizelement 145 sowohl stoffschlüssig als auch thermisch mit der jeweils zugeordneten Seitenfläche 170, 175 des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung stellt zum einen einen guten, sicheren Halt des Heizelements 135, 145 sicher, zum anderen ist ein Wärmeübergang zwischen dem Heizelement 135, 145 und der jeweils zugeordneten Seitenfläche 170, 175 verbessert.
Oberseitig ist das erste und/oder zweite Heizelement 135, 145 durch die erste Elektrode 155 kontaktiert. Von besonderem Vorteil ist weiter, wenn das erste Heizelement 135 und/oder das zweite Heizelement 140 stoffschlüssig mit einer ersten Kontaktfläche 200 der ersten Elektrode 155 verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung stellt ferner eine zusätzliche gute elektrische Kontaktierung zwischen dem Heizelement 135, 145 und der ersten Elektrode 155 sicher.
Unterseitig ist das erste und/oder zweite Heizelement 135, 145 durch die zweite Elektrode 160 kontaktiert. Zusätzlich kann an einer zweiten Kontaktfläche 205, die dem Spalt 140, 150 zugewandt ist, das Heizelement 135, 145 stoffschlüssig mit der zweiten Elektrode 160 verbunden sein. Auch an der zweiten Elektrode 160 stellt die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Heizelement 135, 145 und der zweiten Elektrode 160 eine gute elektrische Anbindung des Heizelements 135, 145 zu der zweiten Elektrode 160 sicher.
Dadurch, dass in z-Richtung das erste Heizelement 135 und das zweite Heizelement 145 zwischen der ersten Elektrode 155 und der zweiten Elektrode 160 angeordnet sind und direkt durch die erste und zweite Elektrode 155, 160 kontaktiert werden, sind das erste Heizelement 135 und das zweite Heizelement 145 parallel geschaltet. Durch die identische Breite b1, b2 des Spalts 140, 150 weisen das erste Heizelement 135 und das zweite Heizelement 145 im Wesentlichen einen identischen ohmschen Widerstand auf.
6 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene C-C durch den in 1 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10.
In 6 ist beispielhaft der erste Endblock 60 geschnitten und strichliert dargestellt. Der erste Endblock 60 ragt in Querrichtung über den Wärmetauscher 25, die Heizeinrichtung 35 und die Elektrodenanordnung 30 heraus. Der erste Endblock 60 weist eine erste Verteilerkanalanordnung 200 auf. Die erste Verteilerkanalanordnung 200 erstreckt sich zwischen dem ersten Anschluss 15 und dem zweiten Anschluss 20. Die erste Verteilerkanalanordnung 200 weist wenigstens einen ersten Verteilerkanal 205, vorzugsweise eine Anordnung von mehreren ersten Verteilerkanälen 205 auf.
Ferner weist die erste Verteilerkanalanordnung 200 einen ersten Anschlusskanal 210 und einen zweiten Anschlusskanal 215 auf. Der erste Anschlusskanal 210 verbindet den ersten Anschluss 15 mit beispielsweise dem auf der zum Träger 40 nächstliegend angeordneten Fluidkanal 195 des ersten Wärmetauscherblocks 45 fluidisch. Der zweite Anschlusskanal 215 verbindet beispielsweise den zum Träger 40 weitest beabstandet angeordneten Fluidkanal 195 des dritten Wärmetauscherblocks 55 mit dem zweiten Anschluss 20 fluidisch.
Zusätzlich kann die erste Verteilerkanalanordnung 200 wenigstens einen Verbindungskanal 200 aufweisen, wobei der erste Verbindungskanal 220 sich im Wesentlichen in Querrichtung erstreckt und einen Fluidkanal 195 des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 mit dem nächstliegenden Fluidkanal 195 des nächstliegenden Wärmetauscherblocks 50, 55 verbindet. So kann beispielsweise der erste Verbindungskanal 220 den zuoberst angeordneten Fluidkanal 195 des ersten Wärmetauscherblocks 45 mit dem Fluidkanal 195 des nächstliegenden zweiten Wärmetauscherblocks 50 verbinden. Zusätzlich ist ein zweiter Verbindungskanal 221 in dem ersten Endblock 60 angeordnet, der den untersten Fluidkanal 195 des zweiten Wärmetauscherblocks 50 mit dem untersten auf der dem Träger 40 zugewandten Seite angeordneten Fluidkanal 195 des dritten Wärmetauscherblocks 55 fluidisch verbindet.
7 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht entlang einer in 6 gezeigten Schnittebene D-D durch den ersten Endblock 60.
Der erste Verteilerkanal 205 ist dabei derart ausgebildet, dass der erste Verteilerkanal 205 zwei in z-Richtung nebeneinander angeordnete Fluidkanäle 195 des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 jeweils fluidisch miteinander verbindet. Dabei kann der erste Verteilerkanal 205 nutartig ausgebildet sein und sich in z-Richtung im Wesentlichen über die Höhe von genau zwei Fluidkanälen 195 erstrecken. Die ersten Verteilerkanäle 205 sind jeweils fluidisch zueinander abgedichtet.
8 zeigt eine perspektivische Darstellung des zweiten Endblocks 65.
Der zweite Endblock 65 ist im Wesentlichen identisch zu dem ersten Endblock 60 ausgebildet. Im Folgenden wird ausschließlich im Wesentlichen auf die Unterschiede des zweiten Endblocks 65 gegenüber dem ersten Endblock 60 eingegangen. Analog zur ersten Verteilerkanalanordnung 200 weist der zweite Endblock 65 eine zweite Verteilerkanalanordnung 225 mit wenigstens einem zweiten Verteilerkanal 235 anstelle des ersten Verteilerkanals 205 auf. Ferner wird für die zweite Verteilerkanalanordnung 225 auf den ersten und zweiten Anschlusskanal 210, 215 verzichtet, da an dem zweiten Endblock 65 beispielsweise kein erster und zweiter Anschluss 15, 20 angeordnet ist.
9 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene F-F durch den elektrischen Durchlauferhitzer 10.
Im Folgenden wird an dem ersten Anschluss 15 ein Fluid 240, insbesondere beispielsweise Wasser, insbesondere beispielsweise Trinkwasser, bereitgestellt. Am zweiten Anschluss 20 wird das Fluid 240 aus dem elektrischen Durchlauferhitzer 10 abgeleitet. Ferner ist die Elektrodenanordnung 30 mit einer elektrischen Leistungsversorgung 250 elektrisch verbunden.
Das Fluid 240 wird über den ersten Anschluss 15 und den ersten Anschlusskanal 210 zu dem untersten Fluidkanal 195 des ersten Wärmetauscherblocks 45 geführt. Das Fluid 240 strömt über den Fluidkanal 195 des ersten Wärmetauscherblocks 45 zum zweiten Endblock 65. Der zweite Verteilerkanal 235 ist identisch zum ersten Verteilerkanal 205 ausgebildet, ist jedoch um einen Fluidkanal 195 in z-Richtung versetzt angeordnet. Der zweite Verteilerkanal 235 leitet das Fluid 240 nach oben hin zum nächstliegenden Fluidkanal 195 des ersten Wärmetauscherblocks 45 um 180° um. Das Fluid 240 strömt entlang des Fluidkanals 195 vom zweiten Endblock 65 zurück zum ersten Endblock 60. Dort wird das Fluid 240 abermals durch den ersten Verteilerkanal 205 nach oben hin um 180° umgelenkt und in den nächstliegenden Fluidkanal 195 zu dem eben durchströmten Fluidkanal 195 umgelenkt. Das Fluid 240 strömt wieder vom ersten Endblock 60 hin zum zweiten Endblock 65. Auf diese Weise durchströmt das Fluid 240 den ersten Wärmetauscherblock 45, bis es am oben im ersten Endblock 60 angeordneten ersten Verbindungskanal 220 ankommt. Der erste Verbindungskanal 220 führt das Fluid 240 vom ersten Wärmetauscherblock 45 zum zweiten Wärmetauscherblock 50. Der zweite Wärmetauscherblock wird von oben nach unten hin durch das Fluid 240 durchströmt, wobei das Fluid 240 abwechselnd zwischen dem ersten Endblock 60 und dem zweiten Endblock 65 über den zweiten Wärmetauscherblock 50 nach unten hin geführt wird. Dabei durchströmt, wie auch im ersten Wärmetauscherblock 45, das Fluid 240 den zweiten Wärmetauscherblock 50 und die darin angeordneten Fluidkanäle 195 seriell. Beispielhaft unten angelangt im zweiten Wärmetauscherblock 50 wird das Fluid 240 vom zweiten Verbindungskanal 221 hin zum dritten Wärmetauscherblock 55 geführt. Der dritte Wärmetauscherblock 55 wird analog zum ersten Wärmetauscherblock 45 von unten nach oben hin seriell zwischen dem ersten Endblock 60 und dem zweiten Endblock 65 durchströmt. Nach dem Durchströmen des dritten Wärmetauscherblocks 55 wird das Fluid 240 über den zweiten Anschlusskanal 215 hin zum zweiten Anschluss 20 geführt.
In einer Weiterbildung können ein oder mehrere Fluidkanäle 195 durch das Fluid 240 parallel durchströmt werden, sodass ein Volumenstrom des Fluids erhöht werden kann. Insbesondere können in einer Weiterbildung alle Fluidkanäle 195 jeweils eines Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 parallel durchströmt werden. 10 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer 10 in aktiviertem Zustand.
Wie bereits eben erläutert, ist die Elektrodenanordnung 30 mit einer Leistungsversorgung 250 elektrisch verbunden. Die Leistungsversorgung 250 kann beispielsweise eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle umfassen. Die Heizelemente 135, 145 sind in der Ausführungsform im Wesentlichen identisch ausgebildet, sodass ein ohmscher Widerstand der Heizelemente 135, 145 im Wesentlichen identisch ist.
Ferner weist jedes der Heizelemente 135, 145 vorzugsweise ein Matrixmaterial auf, in das ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial eingebettet ist. Das Matrixmaterial ist für jedes der Heizelemente 135, 145 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Das Matrixmaterial weist wenigstens einen der folgenden dritten Werkstoffe auf: Elastomer, hitzebeständiges Elastomer, Silikon, Fluorsilikon, hitzebeständiger Kunststoff, bis zu einer Temperatur von 200°C, insbesondere von 250°C dauerhaft (dies bedeutet größer 10.000 Stunden und vorzugsweise kleiner 100.000 Stunden) hitzebeständiger Kunststoff, insbesondere Elastomer.
Das elektrisch leitfähige Füllmaterial weist wenigstens einen der folgenden vierten Werkstoffe auf: Kohlenstoff, Graphit, Leitruß, Metallpartikel, Metallfasern, Carbon Nanotubes, Kohlefasern. Dabei wird unter eingebettet verstanden, dass das Füllmaterial umfangsseitig im Wesentlichen vollständig durch das Matrixmaterial umschlossen ist. Dadurch ist das Heizelement 135, 145 elektrisch leitfähig. Beim Anlegen einer definierten Spannung durch die Leistungsversorgung 250 zwischen der ersten Elektrode 155 und der zweiten Elektrode 160 fließt aufgrund des ohmschen Widerstands und des elektrisch leitfähigen Heizelements 135, 145 ein elektrischer Strom, der im Wesentlichen für jedes Heizelement 135, 145 identisch ist. Dabei erwärmt sich das elektrische Heizelement 135, 145.
Das elektrische Heizelement 135, 145 führt die im elektrischen Heizelement 135, 140 entstehende Wärme an den an dem elektrischen Heizelement 135, 145 jeweils anliegenden Wärmetauscherblock 45, 50, 55 ab. Dadurch wird zum einen das jeweilige elektrische Heizelement 135, 145 gekühlt, zum anderen wird der jeweilige Wärmetauscherblock 45, 50, 55 durch das elektrische Heizelement 135, 145 erwärmt.
In 10 erwärmt somit das erste elektrische Heizelement 135 über die erste Seitenfläche 170 den ersten Wärmetauscherblock 45. Der erste Wärmetauscherblock 45 wird, dadurch, dass an der zweiten Seitenfläche 175 kein Heizelement 135, 145 anliegt, nur einseitig erwärmt. Das über den ersten Wärmetauscherblock 45 geführte Fluid 240 wird im ersten Wärmetauscherblock 45 von einer ersten Temperatur T1 im Betrieb der Heizeinrichtung 35 bei Durchströmen der Fluidkanäle 195 auf eine zweite Temperatur T2 angehoben. Mit der zweiten Temperatur T2 wird das Fluid 240 vom ersten Wärmetauscherblock 45 in den zweiten Wärmetauscherblock 50 eingeleitet. Das erste Heizelement 135 und das zweite Heizelement 145 erwärmen beidseitig den zweiten Wärmetauscherblock 50, sodass der zweite Wärmetauscherblock 50 eine größere Heizleistung und Erwärmung des Fluids 240 bereitstellen kann als der erste Wärmetauscherblock 45. Das Fluid 240 wird somit mit der zweiten Temperatur T2 in den zweiten Wärmetauscherblock 50 eingeleitet und wird beim Durchströmen des zweiten Wärmetauscherblocks 50 auf eine dritte Temperatur T3 erwärmt, mit der das Fluid 240 den zweiten Wärmetauscherblock 50 verlässt. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur T1 und der zweiten Temperatur T2 ist vorzugsweise geringer als eine zweite Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Temperatur T2 und der dritten Temperatur T3.
Mit der dritten Temperatur T3 wird das Fluid 240 vom zweiten Wärmetauscherblock 50 in den dritten Wärmetauscherblock 55 eingeleitet. Der dritte Wärmetauscherblock 55 wird über das an der zweiten Seitenfläche 175 anliegende zweite Heizelement 145 analog dem ersten Wärmetauscherblock 45 einseitig erwärmt. Dabei durchströmt seriell das Fluid 240 die Fluidkanäle 195 des dritten Wärmetauscherblocks 55 und wird von der dritten Temperatur T3 auf die vierte Temperatur T4 erwärmt. Mit der vierten Temperatur T4 wird das Fluid 240 an dem zweiten Ausgang aus dem elektrischen Durchlauferhitzer 10 ausgeleitet.
Die in den 1 bis 10 gezeigte Darstellung des elektrischen Durchlauferhitzers 10 hat den Vorteil, dass durch den einstückigen und materialeinheitlichen Wärmetauscherblock 45, 50, 55 die Bauteilanzahl des elektrischen Durchlauferhitzers 10 besonders geringgehalten ist. Ferner kann der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 beispielsweise strangextrudiert, beispielsweise aus dem ersten Werkstoff, besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Durch die Anzahl der in Querrichtung nebeneinander in einem Stapel angeordneten Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 kann eine Heizleistung des elektrischen Durchlauferhitzers 10 besonders einfach und kostengünstig konstruktiv angepasst werden.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 eignet sich insbesondere zur Erwärmung des Fluids 240, wobei das Fluid 240 ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Durch die große Anzahl von Fluidkanälen 195 und die in Längsrichtung an die Heizeinrichtung 35 angrenzenden Verteilerkanalanordnungen 200, 225 kann eine große Oberfläche des Wärmetauschers 25 bereitgestellt werden, an der das Fluid 240 entlangströmt. Dadurch kann ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem elektrischen Durchlauferhitzer 10 und dem Fluid 240 gewährleistet werden.
Die Endblöcke 60, 65 können anstatt des in 1 gezeigten Befestigungsmittels 70 als Schraubverbindung 75 auch andersartig mit den Wärmetauscherblöcken 45, 50, 55 verbunden werden. So ist beispielsweise auch denkbar, dass die Endblöcke 60, 65 beispielsweise mittels eines stoffschlüssigen Verbindungsverfahrens, insbesondere beispielsweise Lötens oder Schweißens, mit den Wärmetauscherblöcken 45, 50, 55 verbunden werden. Insbesondere kann bei der stoffschlüssigen Verbindung auf die in 2 gezeigten Dichtmittel 90, 110, die beispielsweise als O-Ringe ausgebildet sind, verzichtet werden, sofern bei der stoffschlüssigen Verbindung der Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 mit dem Endblock 60, 65 die stoffschlüssige Verbindung fluiddicht ausgeführt wird.
Durch die Wahl eines Füllgrads des Füllmaterials in dem Matrixmaterial kann definiert der ohmsche Widerstand des Heizelements 135, 145 eingestellt werden. Ferner kann der ohmsche Widerstand auch durch die geometrische Ausgestaltung des Spalts 140, 150 zusätzlich variiert werden. So kann beispielsweise durch den Füllgrad des Füllmaterials in dem Matrixmaterial ein spezifischer ohmscher Widerstand des Heizelements 135, 145 so eingestellt werden, dass der spezifische elektrische Widerstand zwischen einschließlich 0,01 Ohm pro Zentimeter und einschließlich 500 Ohm pro Zentimeter liegt. Als besonders vorteilhaft hat sich ein spezifischer elektrischer Widerstand von einschließlich 0,1 Ohm Zentimeter und einschließlich 20 Ohm Zentimeter herausgestellt.
Durch die in z-Richtung parallel zueinander angeordneten Elektroden 155, 160 kann bei homogen verteilten Füllstoffen in dem Matrixmaterial eine gleichmäßige Hitzeentwicklung der Heizelemente 135, 145 sichergestellt werden, wobei durch die thermische Leitfähigkeit der Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 zusätzlich lokale Erwärmungen ausgeglichen werden können.
In den 1 bis 10 sind beispielsweise die Elektroden 155, 160 einseitig stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial des Heizelements 135, 145 verbunden. Alternativ ist auch denkbar, dass die Elektrode 155, 160 mehrseitig, insbesondere vollständig in dem Heizelement 135, 145, insbesondere in dem Matrixmaterial des Heizelements 135, 145, eingebettet ist. Dabei können jedoch einige, zumindest zwei Kontaktstellen zur Kontaktierung der Elektroden 155, 160 frei liegen. Um einen verbesserten elektrischen Kontakt und eine bessere stoffschlüssige Anbindung der Elektrode 155, 160 zur Anheftung des Matrixmaterials an der Elektrode 155, 160 sicherzustellen, kann die Elektrode 155, 160 plasmavorbehandelt sein.
Eine Kontaktstelle der Elektrode 155, 160 zur elektrischen Anbindung der Elektrode 155, 160 an die elektrische Leistungsversorgung kann beispielsweise ein abisoliertes Kabelende sein. Alternativ ist auch eine elektrische Kontaktierung durch ein Stanzgitter, ein Metallgewebeband oder einen metallischen Streifen denkbar. Die Anbindung der Elektrode 155, 160 kann vor Einspritzen der Elektrode 155, 160 in das Matrixmaterial erfolgen, sodass beim Einspritzen des Matrixmaterials des Heizelements 135, 145 das Matrixmaterial eine Litze des abisolierten Kabels oder des Stanzgitters umschließt. Das Stanzgitter oder der Metallstreifen haben vorzugsweise eine Crimpstelle, eine Lötfläche oder eine Klebefläche, um einen weiteren Übergang auf folgende elektrische Leiter zu vereinfachen.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung des elektrischen Durchlauferhitzers 10 und der Heizeinrichtung 35 stellt sich vorteilhafterweise im Betrieb eine Selbstabriegelung des Heizelements 135, 145 durch einen sich einstellenden PTC (Positive Temperature Coefficient)-Effekt ein.
Durch die Verwendung des Matrixmaterials, das eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, eignet sich der elektrische Durchlauferhitzer 10 auch für Anwendungen, bei denen der elektrische Durchlauferhitzer 10 hohen Vibrationen ausgesetzt ist, beispielsweise in einem Fahrzeug.
Durch die parallele Anordnung der Elektroden 155, 160 beidseitig des Heizelements 135, 145 kann auch bei einer thermischen Ausdehnung der zwischen den Elektroden 155, 160 angeordneten Komponenten eine gleichmäßige Wärmeverteilung in dem Wärmetauscher 25 sichergestellt werden.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 lässt sich besonders einfach und kostengünstig mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren herstellen.
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Profil des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 stranggegossen.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das stranggegossene Profil auf die gewünschte Länge (in x-Richtung) abgelängt und dadurch jeweils der Wärmetauscherblock 45, 50, 55 hergestellt. In der Ausführungsform sind in Längsrichtung die Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 mit gleicher Längserstreckung ausgebildet, sodass die im zweiten Verfahrensschritt hergestellten Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 untereinander ausgetauscht werden können.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der erste und zweite Endblock 60, 65 beispielsweise gegossen und spanend nachbearbeitet. Ferner wird im dritten Verfahrensschritt der Träger 40, sofern er vorgesehen ist, hergestellt.
In einem vierten Verfahrensschritt werden die Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55, und die Elektrodenanordnung 30 zwischen den Endblöcken 60, 65 auf dem Träger 40 mittels des Befestigungsmittels 70 montiert. Die Montage kann in einer Form erfolgen. Zusätzlich kann, sofern vorgesehen, das Dichtmittel 90, 110 mitmontiert werden.
In einem auf den vierten Verfahrensschritt folgenden fünften Verfahrensschritt wird insbesondere in den Spalt 140, 150, beispielsweise durch den Längsspalt, ein Gemisch aus zumindest einem ersten Vorprodukt des Matrixmaterials und dem Füllmaterial eingespritzt. Das Gemisch bildet eine stoffschlüssige Verbindung zu der Elektrodenanordnung 30 und zu dem Wärmetauscher 25, insbesondere an der ersten und zweiten Seitenfläche 170, 175 des zweiten Wärmetauscherblocks 50, zu der ersten Seitenfläche 170 des ersten Wärmetauscherblocks 45 und zu der zweiten Seitenfläche 175 des dritten Wärmetauscherblocks 55 aus. Das Gemisch aus dem ersten Vorprodukt und dem Füllmaterial wird zu dem Heizelement 135, 145 ausgehärtet. Die Aushärtung des ersten Vorprodukts zu dem Matrixmaterial kann dadurch erfolgen, dass das erste Vorprodukt beispielsweise in Verbindung mit einem beigefügten zweiten Vorprodukt ausgehärtet wird. Dabei wird unter Aushärten verstanden, dass das erste Vorprodukt zu dem Matrixmaterial vernetzt. Alternativ kann das Heizelement 135, 145 auch vorgefertigt werden, sodass im fünften Verfahrensschritt das vorgefertigte Heizelement 135, 145 in dem Spalt 140, 150 angeordnet ist.
In einem auf den fünften Verfahrensschritt folgenden fakultativen sechsten Verfahrensschritt wird der elektrische Durchlauferhitzer 10 aus der Form entnommen.
Dieses Verfahren stellt sicher, dass durch die stoffschlüssige Verbindung und die Haftung des Matrixmaterials an der Seitenfläche 170, 175 des jeweiligen Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 sowie an der Elektrodenanordnung 30 ein ungewolltes Ablösen vermieden werden kann. Insbesondere thermische Erwärmungen der Elektrodenanordnung 30 bewirken keine Ablösung der Elektrodenanordnung 30 von dem Heizelement 135, 145.
Die Verwendung des oben genannten dritten Werkstoffs für das Matrixmaterial stellt ferner einen guten elektrischen und mechanischen Kontakt über eine Lebensdauer des elektrischen Durchlauferhitzers 10 zwischen Heizeinrichtung 35 und Elektrodenanordnung 40 sicher. Ferner kann durch dieses Verfahren eine Heizleistung von 5 bis 10 Watt pro Quadratzentimeter von dem Heizelement 135, 145 auf die Wärmetauscherblöcke 45, 50, 55 wirken und durch die hohe Heizleistung das Fluid 240 besonders schnell erwärmt werden.
11 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch einen Ausschnitt eines Wärmetauschers 25 eines Durchlauferhitzers 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Der Wärmetauscher 25 weist den in den 1 bis 10 erläuterten Wärmetauscherblock 45, 50, 55 auf. Zusätzlich weist der Wärmetauscher 25 eine Beschichtung 245 auf, wobei die Beschichtung 245 zumindest an der ersten Seitenfläche 170 und/oder an der zweiten Seitenfläche 175 des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 angeordnet ist. Die Beschichtung 245 bedeckt zumindest bereichsweise die erste Seitenfläche 170 und/oder die zweite Seitenfläche 175. Die Beschichtung 245 isoliert elektrisch den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 von der Heizeinrichtung 35. Die Beschichtung 245 weist vorzugsweise eine Schichtstärke von 5 µm bis 20 µm auf. Die Beschichtung weist vorzugsweise wenigstens einen der folgenden zweiten Werkstoffe auf: Keramik, Silikon, Aluminiumoxid. Die Beschichtung 245 kann zusätzlich zumindest umfangsseitig vollständig den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 umschließen. Zusätzlich kann die Beschichtung 245 auch in dem Fluidkanal 195 angeordnet sein und innenseitig den Fluidkanal 195 bedecken.
In der Herstellung des elektrischen Durchlauferhitzers 10 in dem oben beschriebenen Verfahren kann in einem zusätzlichen Verfahrensschritt, der nach dem ersten Verfahrensschritt oder nach dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführt wird, die Beschichtung 245 aufgebracht werden. Die Beschichtung 245 kann beispielsweise mittels einer Eloxierung oder mittels einer Umspritzung auf den Wärmetauscherblock 45, 50, 55 aufgebracht werden. Auch ein Tauchbad, durch das das Strangprofil des Wärmetauscherblocks 45, 50, 55 durchgeführt wird, wobei in dem Tauchbad die Beschichtung 245 aufgebracht wird, wäre möglich.
12 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer 10 gemäß einer dritten Ausführungsform.
Der Durchlauferhitzer 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in den 1 bis 10 erläuterten Durchlauferhitzer 10 ausgebildet. Im Folgenden wird ausschließlich auf die Unterschiede des in 12 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzers 10 gegenüber den in den 1 bis 10 erläuterten elektrischen Durchlauferhitzer 10 eingegangen.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 ist gegenüber der in den 1 bis 10 gezeigten Ausgestaltung darauf reduziert, dass der elektrische Durchlauferhitzer 10 ausschließlich das erste Heizelement 135 der Heizeinrichtung 35 und den ersten Wärmetauscherblock 45 aufweist. Auf das zweite Heizelement 145 sowie auf den zweiten und dritten Wärmetauscherblock 50, 55 wird in der Ausführungsform verzichtet. Das erste Heizelement 135 ist beispielhaft an der ersten Seitenfläche 170 des ersten Wärmetauscherblocks 45 angeordnet. Das erste elektrische Heizelement 135 erwärmt im Betrieb des elektrischen Durchlauferhitzers 10 das durch die über die Fluidkanäle 195 strömende Fluid 240.
Die in 12 gezeigte Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der elektrische Durchlauferhitzer 10 eine besonders geringe Erstreckung in Querrichtung aufweist. Ferner ist die Bauteilanzahl besonders gering.
Eine Erstreckung in Höhenrichtung kann zusätzlich dadurch reduziert werden, dass in dem unteren bzw. oberen Teilbereich des ersten elektrischen Heizelements 135 die erste Elektrode 155 und die zweite Elektrode 160 anstatt der in den 1 bis 10 gezeigten, sich hauptsächlich im Wesentlichen in einer xy-Ebene erstreckenden Ausrichtung die Elektrode 155, 160 parallel in ihrer Haupterstreckungsrichtung zu der ersten Seitenfläche 170 verläuft, wobei die Elektrode 155, 160 zwischen dem ersten Heizelement 135 und der ersten Seitenfläche 170 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Elektrode 155, 160 besonders einfach im fünften Verfahrensschritt in das Matrixmaterial mit eingegossen werden kann.
Ferner ist der durch den in 12 gezeigten Aufbau des elektrischen Durchlauferhitzers 10 der erste und zweite Endblock 60, 65 vereinfacht. Insbesondere kann auf den ersten und zweiten Verbindungskanal 220, 221 verzichtet werden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der in 12 gezeigte erste Wärmetauscherblock 45 zusätzlich mit der in 11 erläuterten Beschichtung 245 beschichtet ist.
13 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch den elektrischen Durchlauferhitzer 10 gemäß einer vierten Ausführungsform.
Der Durchlauferhitzer 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in den 1 bis 10 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10 ausgebildet. Im Folgenden wird ausschließlich auf die Unterschiede des in 13 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzers 10 gegenüber dem in den 1 bis 10 erläuterten elektrischen Durchlauferhitzer 10 eingegangen.
Der in 13 gezeigte elektrische Durchlauferhitzer 10 ist gegenüber dem in den 1 bis 10 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10 auf das erste Heizelement 135 der Heizeinrichtung 35 und den ersten Wärmetauscherblock 45 und den zweiten Wärmetauscherblock 50 reduziert. Auf das zweite Heizelement 145 sowie den dritten Wärmetauscherblock 55 wird in der vierten Ausführungsform verzichtet.
Das erste Heizelement 135 ist in Querrichtung zwischen dem ersten Wärmetauscherblock 45 und dem zweiten Wärmetauscherblock 50 angeordnet. Mittels des ersten Heizelements 135 wird im aktivierten Betrieb des elektrischen Durchlauferhitzers 10 sowohl der erste Wärmetauscherblock 45 als auch der zweite Wärmetauscherblock 50 erwärmt. Das Fluid 240 kann über die Fluidkanäle 195 sowohl des ersten als auch des zweiten Wärmetauscherblocks 45, 50 seriell geführt werden. Dabei wird das Fluid 240 durch die von dem ersten Heizelement 135 bereitgestellte Wärme im ersten und zweiten Wärmetauscherblock 45, 50 erwärmt.
Die in 13 gezeigte Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in Querrichtung der elektrische Durchlauferhitzer 10 besonders kompakt ausgebildet ist. Ferner kann eine erhöhte Heizleistung, verglichen mit der in 12 gezeigten Ausgestaltung, sichergestellt werden. Insbesondere wenn eine besonders hohe Ausgangstemperatur des Fluids 240 notwendig ist, ist die in 13 gezeigte Ausgestaltung gegenüber der in 12 gezeigten Ausgestaltung zu präferieren. Ferner wird sichergestellt, dass die durch das erste Heizelement 135 bereitgestellte Wärme vor allem zur Erwärmung des Fluids 240 genutzt wird und dass ein ungewolltes Abströmen der Wärme aus dem ersten Heizelement 135 in die Umgebung 130 vermieden werden kann.
14 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene B-B durch einen elektrischen Durchlauferhitzer 10 gemäß einer fünften Ausführungsform.
Der elektrische Durchlauferhitzer 10 ist im Wesentlichen eine Kombination aus dem in 12 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzer 10 mit dem in den 1 bis 10 erläuterten elektrischen Durchlauferhitzer 10. Dabei wird in der Ausführungsform auf den ersten Wärmetauscherblock 45 und den dritten Wärmetauscherblock 55 verzichtet, wobei die Heizeinrichtung 35 das erste und zweite Heizelement 135, 145 aufweist. Durch die im Stapel zwischen dem ersten Heizelement 135 und dem zweiten Heizelement 145 vorgesehene Anordnung des zweiten Wärmetauscherblocks 50 kann eine starke Erwärmung des zweiten Wärmetauscherblocks 50 sichergestellt werden. Insbesondere kann dadurch eine hohe Endtemperatur (T2) des Fluids 240 nach der Durchströmung des elektrischen Durchlauferhitzers 10 sichergestellt werden.
Um eine elektrische Kontaktierung des elektrischen Heizelements 135, 145 sicherzustellen, ist jeweils für jedes Heizelement 135, 145 die Elektrodenanordnung 30 vorgesehen. Die Elektrodenanordnung 30 ist wie in 12 erläutert ausgebildet, sodass jeweils die Elektrode 155, 160 zwischen dem zweiten Wärmetauscherblock 50 und dem jeweils zugeordneten Heizelement 135, 145 angeordnet ist.
In der Herstellung des in 14 gezeigten elektrischen Durchlauferhitzers 10 ist die Form derart ausgebildet, dass die Form in Verbindung mit dem jeweils in die Form eingelegten ersten Wärmetauscherblocks 45 zumindest den ersten und zweiten Spalt 140, 150 ausbildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012212798 A1 [0002]

Claims

Elektrischer Durchlauferhitzer (10) zur Erwärmung eines Fluids (240), aufweisend wenigstens einen Wärmetauscher (25) mit wenigstens einem ersten Wärmetauscherblock (45), eine Elektrodenanordnung (30) und eine Heizeinrichtung (35), wobei der erste Wärmetauscherblock (45) wenigstens eine Kanalanordnung (190) mit mehreren zur Führung des Fluids (240) ausgebildeten, sich entlang einer ersten Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) in einer ersten Richtung (x) erstreckenden Fluidkanälen (195) aufweist, wobei die Elektrodenanordnung (30) wenigstens eine erste Elektrode (155) und eine zur ersten Elektrode (155) beabstandet angeordnete zweite Elektrode (160) aufweist, wobei die Heizeinrichtung (35) wenigstens ein erstes, vorzugsweise blockförmig ausgebildetes, Heizelement (135) aufweist, das zwischen der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) angeordnet ist und elektrisch jeweils mit der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) verbunden ist, wobei das erste Heizelement (135) thermisch mit der ersten Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) verbunden ist, wobei das erste Heizelement (135) bei Bestromung über die erste Elektrode (155) und zweite Elektrode (160) ausgebildet ist, den ersten Wärmetauscherblock (45) zu erwärmen.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) und/oder das erste Heizelement (135) plattenförmig und/oder bogenförmig und/oder blockförmig und/oder schalenförmig ausgebildet ist, und/oder wobei die Fluidkanäle (195) in dem ersten Wärmetauscherblock (45) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, wobei jeder der Fluidkanäle (195) parallel zu der ersten Seitenfläche (170) ausgerichtet ist.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidkanäle (195) jeweils im Wesentlichen in einem ersten Abstand (a1) zu der ersten Seitenfläche (170) angeordnet sind.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Fluidkanäle (195) jeweils im Wesentlichen in einem zweiten Abstand (a2) zum nächstliegenden Fluidkanal (195) angeordnet ist.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) einstückig und materialeinheitlich aus einem wärmeleitenden ersten Werkstoff gefertigt ist, und/oder wobei der erste Wärmetauscherblock (45) wenigstens einen der folgenden ersten Werkstoffe aufweist: Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Messing, Bronze, Metall, metallische Legierung.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetaucher (25) zumindest an der ersten Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) eine Beschichtung (245) aufweist, die die erste Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) zumindest bereichsweise bedeckt, wobei die Beschichtung (245) elektrisch den ersten Wärmetauscherblock (45) von der Heizeinrichtung (35) isoliert, wobei vorzugsweise die Beschichtung (245) eine Schichtdicke von einschließlich 1 µm bis 100 µm, vorteilhafterweise von einschließlich 5 µm bis einschließlich 20 µm, aufweist, wobei vorzugsweise die Beschichtung (245) wenigstens einen der folgenden elektrisch isolierenden zweiten Werkstoffe aufweist: Keramik, Silikon, Aluminiumoxid, Kunststoff, Harz.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (155) und/oder die zweite Elektrode (160) plattenförmig ausgebildet ist, wobei die Fluidkanäle (195) jeweils parallel zu der ersten Elektrode (155) und/oder der zweiten Elektrode (160) ausgerichtet sind, wobei die erste Elektrode (155) und/oder die zweite Elektrode (160) geneigt, vorzugsweise senkrecht, zu der ersten Seitenfläche (170) ausgerichtet ist.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizeinrichtung (35) ein zweites, vorzugsweise blockförmig, ausgebildetes Heizelement (145) aufweist, das zwischen der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) angeordnet ist und elektrisch jeweils mit der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) verbunden ist, wobei das zweite Heizelement (145) zur ersten Seitenfläche (170) des ersten Wärmetauscherblocks (45) gegenüberliegend angeordnet ist und thermisch mit dem ersten Wärmetauscherblock (45) verbunden ist, wobei das zweite Heizelement (145) bei Bestromung über die erste Elektrode (155) und zweite Elektrode (160) ausgebildet ist, den ersten Wärmetauscherblock (45) zu erwärmen.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) eine erste Kontaktseite (115) und eine in der ersten Richtung (x) gegenüberliegend zu der ersten Kontaktseite (115) angeordnete zweite Kontaktseite (125) aufweist, wobei der Wärmetauscher (25) einen ersten Endblock (60) mit einer ersten Anschlussseite (76) und einen zweiten Endblock (65) mit einer zweiten Anschlussseite (95) aufweist, wobei an der ersten Kontaktseite (115) der erste Endblock (60) an der ersten Anschlussseite (76) des ersten Wärmetauscherblocks (45) anliegt, wobei der zweite Endblock (65) in der ersten Richtung (x) gegenüberliegend zu dem ersten Endblock (60) angeordnet ist und mit der zweiten Anschlussseite (95) an der zweiten Kontaktseite (125) des ersten Wärmetauscherblocks (45) anliegt, wobei zwischen dem ersten Endblock (60) und dem zweiten Endblock (65) die erste Elektrode (155) und/oder die zweite Elektrode (160) angeordnet ist.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 9, wobei der erste Endblock (60) eine erste Verteilerkanalanordnung (200) mit wenigstens einem ersten Verteilerkanal (205) aufweist, wobei der erste Verteilerkanal (205) in der ersten Anschlussseite (76) mündet und mit dem Fluidkanal (195) und einem nächstliegend zum Fluidkanal (195) angeordneten weiteren Fluidkanal (195) der Kanalanordnung (190) fluidisch verbunden ist, wobei der zweite Endblock (65) eine zweite Verteilerkanalanordnung (225) mit wenigstens einem zweiten Verteilerkanal (235) aufweist, wobei der zweite Verteilerkanal (235) in der zweiten Anschlussseite (95) mündet und mit dem Fluidkanal (195) auf einer zum ersten Verteilerkanal (205) gegenüberliegenden Seite fluidisch verbunden ist, wobei der erste Verteilerkanal (205) und der zweite Verteilerkanal (235) derart ausgebildet sind, dass die Fluidkanäle (195) seriell bezogen auf eine Strömungsrichtung des Fluids (240) verschaltet angeordnet sind.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (25) einen zweiten Wärmetauscherblock (50) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscherblock (50) gegenüberliegend zu der ersten Seitenfläche (170) angeordnet ist, wobei der zweite Wärmetauscherblock (50) wenigstens eine Kanalanordnung (190) mit mehreren zur Führung des Fluids (240) ausgebildeten Fluidkanälen (195) aufweist, wobei das erste Heizelement (135) zwischen dem ersten Wärmetauscherblock (45) und dem zweiten Wärmetauscherblock (50) angeordnet ist, wobei das erste Heizelement (135) bei Bestromung über die erste Elektrode (155) und zweite Elektrode (160) ausgebildet ist, den ersten Wärmetauscherblock (45) und den zweiten Wärmetauscherblock (50) zu erwärmen.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach Anspruch 11, wobei der zweite Wärmetauscherblock (50) zwischen dem ersten Endblock (60) und dem zweiten Endblock (65) angeordnet ist, wobei die erste Verteilerkanalanordnung (200) und/oder die zweite Verteilerkanalanordnung (225) die Kanalanordnung (190) des ersten Wärmetauscherblocks (45) mit der Kanalanordnung (190) des zweiten Wärmetauscherblocks (50) verbindet.
Elektrischer Durchlauferhitzer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Heizelement (135) wenigstens ein Matrixmaterial und ein in dem Matrixmaterial eingebettetes elektrisch leitfähiges Füllmaterial aufweist, wobei vorzugsweise das Matrixmaterial einstückig und materialeinheitlich ausgebildet ist, wobei vorzugsweise das Matrixmaterial wenigstens einen der folgenden dritten Werkstoffe aufweist: Elastomer, hitzebeständiges Elastomer, Silikon, Fluorsilikon, bis zu einer Temperatur von 200°C, insbesondere von 250°C, dauerhaft hitzebeständiger Kunststoff, und/oder wobei das Füllmaterial wenigstens einen der folgenden vierten Werkstoffe aufweist: Kohlenstoff, Graphit, Leitruß, Metallpartikel, Metallfasern, Carbon Nanotubes.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Durchlauferhitzers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) und die Elektrodenanordnung (30) bereitgestellt werden, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) zwischen der ersten Elektrode (155) und der zweiten Elektrode (160) angeordnet wird, wobei ein Gemisch aus einem ersten Vorprodukt und einem Füllmaterial seitlich des ersten Wärmetauscherblocks (45) angeordnet wird, wobei das Gemisch eine thermische Verbindung zu der Elektrodenanordnung (30) und dem Wärmetauscher (25) ausbildet, wobei das Gemisch zu dem ersten Heizelement (135) ausgehärtet wird oder wobei das ausgehärtete erste Heizelement (135) an der ersten Seitenfläche (170) angeordnet und thermisch mit dem ersten Wärmetauscherblock (45) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Wärmetauscherblock (45) zumindest an der ersten Seitenfläche (170) beschichtet wird, wobei vorzugsweise der erste Wärmetauscherblock (45) zumindest an der ersten Seitenfläche (170) eloxiert wird, und/oder wobei der erste Wärmetauscherblock (45) zumindest mit einem zweiten Werkstoff zur Ausbildung der Beschichtung (245) umspritzt wird.