DE112015003026T5

DE112015003026T5 - Selbstregulierende Inline-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE112015003026T5
Application number: DE112015003026.3T
Authority: DE
Inventors: Jason Hammer; Nguyen Tram; Timothy Birbeck; Christoph Goeschel; Razmik B. Boodaghians
Original assignee: MAG Aerospace Industries LLC
Current assignee: MAG Aerospace Industries LLC
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2017-04-20
Also published as: US20150377513A1; WO2015200646A1; US9395102B2

Abstract

Ausführungsformen stellen Systeme und Verfahren zum Verbessern von Inline-Wasserheizvorrichtungen bereit. Bestimmte Ausführungsformen finden spezielle Verwendung an Bord von Flugzeugen, anderen Luftfahrzeugen (wie zum Beispiel Helikopter oder Luftraumfahrzeuge) oder jeglichen anderen Fahrzeugen, welche sich verändernde Temperaturen erfahren. Die beschriebenen Inline-Wasserheizvorrichtungen sind selbst regulierend und verwenden ein temperaturabhängiges Widerstandselement anstelle eines Temperatursensors, um eine Wassertemperatur zu erfassen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt den Vorteil der am 25. Juni 2014 eingereichten vorläufigen U.S.-Anmeldung mit der laufenden Nr. 62/016,864 und dem Titel „Selbstregulierende Inline-Heizvorrichtung – Self Regulating Inline Heater” in Anspruch, dessen gesamte Inhalte hiermit durch Bezugnahme eingebunden sind.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen grundsätzlich Heizsysteme, welche selbstregulierende Inline-Heizsysteme sind. Gewisse Ausführungsformen finden spezielle Verwendung an Bord von Fahrzeugen, wie zum Beispiel Flugzeuge, welche oft Temperaturschwankungen erfahren, welche unterhalb eines Gefrierens sein können. Solche niedrigen Temperaturen können eine Schädigung von Wasserleitungen bewirken.
HINTERGRUND
Wasserleitungen können oft gefrieren, insbesondere Wasserleitungen an Bord von Passagiertransportfahrzeugen, welche extreme Temperaturveränderungen erfahren. Zum Beispiel können Wasserleitungen an Bord eines Flugzeugs während eines Flugs oder in gewissen Umgebungen bei normaler Verwendung am Boden gefrieren. Wenn Wasser in einer Wasserleitung gefriert, kann dies einen Rohrbruch, eine Unterbrechung des normalen Wasserflusses, eine Schädigung der Endstrukturen und auch eine Reihe anderer Probleme bewirken. Es ist somit wünschenswert, Wasserleitungen gegen ein Gefrieren zu schützen.
Einige Lösungen waren, eine Punktbeheizung bei Wasserleitungen bereitzustellen, um ein Gefrieren dieser zu verhindern. Ein Lösungsversuch war, eine äußere Hülle um die Wasserleitungen bereitzustellen, um diese bei einer gewünschten Temperatur zu halten, welche niedriger ist als der Gefrierpunkt. Andere Lösungen waren, eine Inline-Heizvorrichtung zu verwenden, welche innerhalb der Wasserleitung 10 geführt ist. Beispiele dieser Lösung sind in den 1 und 2 gezeigt.
Das Heizelement kann ein Widerstandsheizdraht 12 sein, welcher innerhalb eines Schlauchs 14 (z. B. in einigen Fällen ein Teflonschlauch) abgedichtet ist. Die Kombination aus dem Draht 12 und einem Schlauch 14 wird dann in die Wasserleitung 10 eingeführt. Die Wassersystem-Rohrleitung kann verschiedene Längen von Inline-Wasserheizvorrichtungen aufweisen, welche in den Wasserleitungen an verschiedenen Stellen entlang der Wassersystem-Rohrleitung positioniert sind. Diese Inline-Wasserheizvorrichtungen werden von einer Steuer-/Regelvorrichtung 16 betrieben, welche die Temperatur der Heizvorrichtung überwacht, welche von einem oder mehreren Temperatursensoren 18 bestimmt wird. Die Steuer-/Regelvorrichtung 16 ist eine installierte Hardware, welche das Heizelement steuern/regeln kann, um einen kontinuierlichen Betrieb der Heizvorrichtung zu vermeiden. Dies ist grundsätzlich beabsichtigt, um die Effizienz des Systems zu maximieren, so dass sie nicht ständig heizen, aber stattdessen nur, wenn Wärme benötigt wird. Die Inline-Heizvorrichtungen sind nicht bereitgestellt, um das Wasser in den Wasserleitungen zu erwärmen; sie sind bereitgestellt, um ein Gefrieren des Wassers in den Wasserleitungen zu verhindern; müssen das Wasser also nur bis zu einem Punkt über einem Gefrieren erwärmen. Dementsprechend muss ein Inline-Erwärmen in einer warmen Umgebung und/oder an einem heißen Tag nicht erforderlich sein.
Bei Verwendung, wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 16 erfasst, dass der Einstellwert, bei welchem sich das Heizelement Anschalten sollte, erreicht worden ist (d. h. die Temperatur sich einem Gefrieren annähert), aktiviert die Steuer-/Regelvorrichtung 16 die Heizdrähte/-elemente. Wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 16 erfasst, dass der Einstellwert, bei welchem sich das Heizelement abschalten sollte, erreicht worden ist (d. h. die Temperatur auf einem sicheren Niveau ist, auf welchem ein Gefrieren nicht erfolgen wird), schaltet sie die Heizdrähte/-elemente ab. Die Steuer-/Regelvorrichtung 16 schaltet die Inline-Heizvorrichtungen an und aus durch ein Steuern entsprechender Leistungsschalter, welche die Heizdrähte/-elemente 12 an- und abschalten. Die Steuer-/Regelvorrichtung 16 steht dem einen oder den mehreren Temperatursensoren 18 in Verbindung, um diese Bestimmung durchzuführen.
Die Temperatursensoren 18 können innerhalb des Inline-Heizsystems oder außerhalb des Inline-Heizsystems angeordnet sein. 1 stellt eine Inline Heizvorrichtung mit einem außenliegenden Temperatursensor dar. 2 stellt eine Inline-Heizvorrichtung mit einem innenliegenden Temperatursensor dar.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben angestrebt, die Notwendigkeit für den Steuerungs-/Regelungs-/Temperatursensor in Inline-Heizsystemen zu verringern. Es ist grundsätzlich wünschenswert, das Gewicht an Bord eines Flugzeugs zu reduzieren. Gewichtseinsparungen können durch ein Entfernen von Komponenten erreicht werden. Dies kann wiederum eine geringere Notwendigkeit für eine Wartung erfordern, weil es weniger Komponenten gibt, welche für Schädigung empfänglich sind und/oder welche eine regelmäßige Wartung oder Reparatur benötigen.
Ausführungsformen der hiermit bereitgestellten Offenbarung stellen somit Systeme und Verfahren zum Verbessern von Inline-Wasserheizvorrichtungen zur Verwendung an Bord von Flugzeugen oder anderen Fahrzeugen bereit, bei welchen Gewicht und Platz Erwägungen sind, welche aber sich verändernde Temperaturen erfahren können. Die beschriebenen Inline-Wasserheizvorrichtungen sind selbst regulierend und verwenden ein temperaturabhängiges Widerstandselement, welches den Widerstand als Reaktion auf eine Veränderung der Wassertemperatur verändern kann, anstelle, dass sie einen Temperatursensor verwenden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Inline-Heizvorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem außenliegenden Temperatursensor.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Inline-Heizvorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem innenliegenden Temperatursensor.
3 zeigt eine Ausführungsform eines selbstregulierenden Inline-Heizsystems.
4 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform einer Komponente einer selbstregulierenden Inline-Heizvorrichtung.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform, welche mehr als zwei Heizdrähte umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein selbstregulierendes Inline-Wasserheizsystem 20 bereit. Das System 20 umfasst ein temperaturabhängiges Widerstandselement 22, welches zwei Heizdrähte 24, 26 verbindet. Ein Beispiel ist in der 3 dargestellt. In einem speziellen Beispiel verlaufen die zwei Heizdrähte 24, 26 auf jeder Seite des temperaturabhängigen Widerstandselements 22 parallel zueinander, so dass die Heizdrähte 24, 26 nicht in Kontakt miteinander sind, aber beide in Kontakt mit dem temperaturabhängigen Widerstandselement 22 sind. Die Heizdrähte 24, 26 und das temperaturabhängige Widerstandselement 22 sind zusammen in einem Schlauch 28 abgedichtet. In einem speziellen Beispiel kann der Schlauch 28 ein Teflon Schlauch sein. In einem anderen Beispiel kann der Schlauch 28 ein äußerer Überzug sein.
Eine der Schwächen von Inline-Heizvorrichtungen auf dem Markt ist, dass jede Inline Heizvorrichtung einen einzelnen Draht aufweist, welcher um eine Schnur gewickelt oder gewunden ist. Wenn die Heizvorrichtung angetrieben wird und Wasser um sie herum eingeführt wird, kann sich das Drahtmaterial ausdehnen/zusammenziehen und geknickt werden oder sogar brechen. Im Gegensatz dazu verhindert die hiermit offenbarte Gestaltung dieses Problem. Sie stellt ein Drahtmaterial bereit, welches robust genug ist und innerhalb der Grenzen eines vorgegebenen Wassersystems bleiben kann.
Das temperaturabhängige Widerstandselement 22 kann derart ausgewählt werden, dass sich seine Widerstandsfähigkeit so ändert wie sich die Temperatur verändert. Wenn zum Beispiel die Temperatur warm genug ist, um einen Wasserfluss zu erlauben, ist die Widerstandsfähigkeit des Elements 22 grundsätzlich hoch. Wenn jedoch die Temperatur des Wassers auf einen Wert absinkt bei welchem das Wasser nahe einem Gefrieren ist oder anderweitig gefährdet ist, zu gefrieren, nimmt die Widerstandsfähigkeit des Elements 22 ab. Wenn sich die Temperatur des Wassers erhöht, erhöht sich die Widerstandsfähigkeit des Elements 22. In anderen Worten werden niedrigere Temperaturen die Widerstandsfähigkeit lokal verringern. Diese Abnahme der Widerstandsfähigkeit verbindet die elektrische Brücke dazwischen und bewirkt, dass die Heizdrähte 24, 26 lokal heizen. Wenn zum Beispiel die Temperatur des Wassers, welches in der Wasserleitung 10 fließt, einen bestimmten, eingestellten niedrigen Wert erreicht, wird ein Kontakt zwischen den Heizdrähten 24, 26 bestehen. Der niedrig eingestellte Wert kann zum Beispiel bei etwa 40°F–4,4°C – liegen. Die Verwendung des temperaturabhängigen Widerstandselements 22 verringert die Notwendigkeit für Temperatursensoren oder eine Steuer-/Regelvorrichtung, um das System zu betreiben. Stattdessen ist das System selbst regulierend und wird nach Bedarf heizen. Wenn die Temperatur einen hoch eingestellten Wert übersteigt, wird der Kontakt zwischen den Heizdrähten unterbrochen und ihr Heizen wird sich abschalten. In einem speziellen Beispiel kann der hoch eingestellte Wert bei etwa 50°F–10°C – liegen.
Üblicherweise werden Heizdrähte innerhalb einer Abdeckung oder Hülle bereitgestellt. So kann es auch bei den Drähten 24, 26 der Fall sein. In einem Beispiel können die Heizdrähte 24, 26 PTFE-Fluorpolymer-isolierte Heizdrähte sein. Zusätzlich oder alternativ kann in einem Beispiel dieser Offenbarung jeder der Heizdrähte 24, 26 mit einer inerten chemischen Komponente beschichtet sein, welche als eine „Abdeckung” 30 aus Kunststoff dient.
Das temperaturabhängige Widerstandselement 22 kann als eine zementartige Mischung bereitgestellt sein, welche die zwei Heizdrähte 24, 26 mit dem Element 22 verbindet. Diese zementartige Komponente/Mischung kann den Widerstand zwischen den Drähten 24, 26 verändern. In einem Beispiel kann die Komponente eine spezielle Legierung, wie zum Beispiel Nickel-Chrom oder ein anderer Zement auf metallischer Basis, oder ein Metallkleber sein. Die Komponente wirkt als ein Klebmittel zwischen den zwei Heizdrähten 24, 26 und kann auf Basis der Temperatur einen sich verändernden Widerstand zwischen den Drähten 24, 26 ermöglichen. Der Widerstand der Heizdrähte 24, 26 verändert sich nicht. Die Heizdrähte 24, 26 sind nur verbindend, wenn der Widerstand des inneren Elements 22 abnimmt. In diesem Beispiel ist das temperaturabhängige Widerstandselement 22 ein „intelligenter Zement”. Die Metallionen in dem Zement stellen in Abhängigkeit der Temperatur der Umgebung einen sich verändernden Widerstand bereit. Der metallische Zement stellt die Funktion eines Klebmittels zwischen den Drähten 24, 26 bereit und erzeugt auch einen sich verändernden Widerstand dazwischen. Die Verwendung dieses metallischen Zements/temperaturabhängigen Widerstandselements 22 beseitigt die Notwendigkeit für eine Steuer-/Regelvorrichtung oder für Temperatursensoren. Das Widerstandselement 22 ermöglicht einen Kontakt zwischen den Heizdrähten 24, 26, um einen Schaltkreis zu erzeugen, wenn die Temperatur ein bestimmtes niedriges Niveau erreicht.
Der metallische Zement kann sich in seiner metallischen Zusammensetzung in Abhängigkeit der Größe des Systems und der gewünschten Temperaturwerte verändern. Das nichtmetallische Klebmittel des Zements kann ein Epoxid zum Vergießen, welches bei elektrischen Schaltkreisen verwendet wird, ein anderes Epoxid, Siliziumoxid, ein Basispolymer, eine organische oder anorganische Verbindung oder Kombinationen davon sein. Die metallische Komponente kann Nickel-Chrom, Aluminium, Titan, Mayenit, Alkalimetall oder Kombinationen davon sein.
Wie in Figur vier gezeigt, ist das temperaturabhängige Widerstandselement 22 nicht mit dem elektrischen Schaltkreis verbunden, sondern ist sandwichartig zwischen den Drähten 24, 26 angeordnet. Es gibt keinen Anschlussverbindungspunkt für die Drähte. Die Drähte stehen nur mittels eines temperaturabhängigen Widerstandselements 22 in Verbindung miteinander. Ein Überzug oder Schlauch ist um diese Komponenten herum positioniert. Die Kombination des Elements 22 und der Drähte 24, 26 in dem Schlauch 28 kann als eine selbstregulierende Heizkomponente 34 bezeichnet werden.
Die selbstregulierende Heizkomponente 34 ist als eine flexible Komponente vorgesehen, welche in gekrümmten Wasserleitungen navigieren kann. Die selbstregulierende Heizkomponente 34 ist auch ausgelegt, um in eine dünne Wasserleitung zu passen. Viele Wasserleitungen an Bord eines Flugzeugs weisen zum Beispiel einen Durchmesser von weniger als 1 Zoll–25,4 mm – auf. In speziellen Ausführungsformen können sie 3/8 Zoll–9,5 mm – dick sein oder einen Durchmesser von 1/2 Zoll–12,7 mm – aufweisen. Somit kann die selbstregulierende Heizkomponente 34 derart ausgelegt sein, dass sie einen Durchmesser von etwa 4–5 mm oder kleiner aufweist. Es ist zu verstehen, dass der Durchmesser der selbstregulierenden Heizkomponente 34 von dem Durchmesser der Wasserleitung abhängig ist, in welcher sie zum Einsatz kommt. Wenn die Wasserleitung einen großen Durchmesser aufweist, ist es möglich, eine selbstregulierende Heizkomponente 34 zu verwenden, welche einen großen Durchmesser aufweist, so dass sie in Bezug auf das Wasserleitungsrohr skaliert ist. Es ist grundsätzlich bevorzugt, dass die selbstregulierende Heizkomponente 34 den Druck oder Fluss von Wasser zu dem Endpunkt nicht unterbricht.
Die selbstregulierende Heizkomponente 34 kann auch ausgelegt sein, um in ein Rohr einer Wasserleitung eingeführt zu werden und wenn notwendig einfach entfernt zu werden. Dies kann ein Reinigen der selbstregulierenden Heizkomponente 34 erleichtern. Dies kann auch jegliche Reparaturen effizienter gestalten, welche notwendig sind, an der selbstregulierenden Heizkomponente 34 durchgeführt zu werden. Die selbstregulierende Heizkomponente 34 ist nicht dafür ausgelegt, um die Wasserleitung gewickelt zu werden, was Gewicht zu dem Flugzeug hinzufügen würde. Stattdessen ist sie direkt in der Wasserleitung in dem Wasserstrom, welcher darin fließt, positioniert. Dies ermöglicht, dass die Heizkomponente 34 kürzer und effizienter ist, da sie mit dem zu Erwärmungen Wasser in direktem Kontakt steht.
In anderen Ausführungsformen ist es möglich, eine Mehrzahl kurzer, selbstregulierender Heizkomponenten 34 bereitzustellen, welche nur entlang von Bereichen der Wasserleitung positioniert sind, welche anfälliger für ein Gefrieren sind.
Wie auch in Figur fünf gezeigt, können zwei Heizdrähte (oder, wie gezeigt, mehr als zwei Heizdrähte) mit einem elektrischen Schaltkreis 36 verbunden sein. Jeder Verbindungspunkt kann mit Epoxid oder einer anderen Verbindung verbunden sein, um ein Eindringen eines Fluids in den elektrischen Schaltkreis 36 zu verhindern und eine Feuchtigkeitsbarriere bereitzustellen. Das innere Element 22 ist nicht mit dem Schaltkreis 36 verbunden. Die Heizdrähte sind an einem Anschlusspunkt nicht miteinander verbunden. Eine Aktivierung der Heizdrähte 24, 26 ist nur von einer verringerten Widerstandsfähigkeit des temperaturabhängigen Widerstandselements 22 abhängig, wenn sich die Temperatur verringert. Der elektrische Schaltkreis 36 stützt sich auf Signale von dem oberen und dem unteren Heizdraht 24, 26. Sobald die Heizdrähte 24, 26 mittels des elektrischen Schaltkreises 36 mit Energie versorgt werden, erhöht sich der Widerstand der Drähte und Strom fließt und erzeugt Wärme.
Obwohl eine einzelne selbstregulierende Heizkomponente 34 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass mehr als eine oder mehrere Heizkomponenten 34 innerhalb einer einzelnen Wasserleitung positioniert sein können. Es ist auch zu verstehen, dass mehr als eine Heizkomponente 34 miteinander verdrillt oder auf eine andere Weise miteinander kombiniert werden können, um einen robusteren oder schnelleren Ausbruch von Wärme bereitzustellen. In einer anderen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Heizdrähte 24, 26 in andere Widerstände aufgeteilt sind, so dass eine Mehrzahl von Heizdrähten (z. B. durch die Drähte W1, W2, W3 und W4 dargestellt) bereitgestellt werden kann, wie in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform kann ein temperaturabhängiges Widerstandselement 22 zwischen jedem der Drähte bereitgestellt sein.
Veränderungen und Abwandlungen, Ergänzungen und Streichungen können bei den oben erwähnten und in den Zeichnungen gezeigten Strukturen und Verfahren gemacht werden, ohne von dem Umfang oder Geist der Offenbarung oder der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Selbstregulierendes Inline-Heizsystem zur Verwendung in einer Wasserleitung, umfassend: einen ersten und einen zweiten Heizdraht; ein temperaturabhängiges Widerstandselement, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Heizdraht positioniert ist, umfassend einen metallischen Zement; einen Schlauch oder Überzug, welcher die Drähte und das temperaturabhängige Widerstandselement entlang wenigstens einer wesentlichen Länge der Inline-Heizvorrichtung in einer flüssigkeitsdichten Weise abdichtet, wobei die Inline-Heizvorrichtung in einer Wasserleitung positioniert ist und die Heizfähigkeit der Heizdrähte abhängig von der Temperatur einstellt.
Inline-Heizsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen elektrischen Schaltkreis, welcher mit dem ersten und dem zweiten Draht verbunden ist.
Inline-Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schlauch oder Überzug einen Teflonschlauch umfasst.
Inline-Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Draht, das temperaturabhängige Widerstandselement und der Schlauch eine Heizkomponente bilden, dessen Durchmesser kleiner als etwa 5 mm ist.
Inline-Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Inline-Heizsystem in einem Inneren eines Wasserleitungsrohrs installiert ist.
Inline-Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Inline-Heizsystem in einem Inneren eines Wasserleitungsrohrs an Bord eines Flugzeugs installiert ist, um bei verschiedenen Bedingungen ein Gefrieren von Flugzeugwasserleitungen zu verhindern.
Inline-Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Inline-Heizsystem eine Mehrzahl von Heizdrähten umfasst, von denen jedes durch eine metallische Zementschicht abgetrennt ist.
Inline-Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das temperaturabhängige Widerstandselement die Notwendigkeit für eine Temperatursteuerungs-/Temperaturregelungsvorrichtung, welche zum Einstellen hoher und niedriger Temperaturen verwendet wird.
Verfahren zum Verhindern eines Gefrierens von Wasser in einer Wasserleitung an Bord eines Flugzeugs, umfassend: ein Bereitstellen des selbstregulierenden Inline-Heizsystems nach Anspruch 1; ein Installieren des selbstregulierenden Inline-Heizsystems in der Wasserleitung; und ein Verbinden des ersten und des zweiten Drahtes mit einem elektrischen Schaltkreis.