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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung zum
elektrischen Beheizen von flächigen Belägen, beispielsweise zum Beheizen von Rollfeldern
oder Straßen, mit Wechselstrom, die aus einem metallischen Außenrohr und einem darin
angeordneten elektrisch isolierten Innenleiter besteht.
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Auf Rollfeldern, Straßen u. dgl. bilden sich im Winter sehr oft Schnee-
und Eisbeläge, was zu nennenswerten Verkehrsstörungen bzw. Beeinträchtigungen führen
kann. Es ist somit bereits bekannt (österreichische Patentschrift 258 340 und Zeitschrift
»Straßen- und Tiefbau«, Heft 6, 1967, S. 426), elektrische Heizleiter in den Straßen-
bzw. Rollfeldbelag einzubetten. Da entlang derartiger Heizleiter notgedrungenermaßen
ein Spannungsgefälle auftritt, ist es notwendig, diese Heizleiter elektrisch zu
isolieren. Zur Erzielung eines mechanischen Schutzes wird dann der mit Isolation
versehene Heizleiter in den meisten Fällen innerhalb eines Metallrohrs angeordnet,
das wiederum innerhalb des Straßen- bzw. Rollfeldbelages eingebettet wird. Falls
dies gewünscht sein sollte, kann dabei das Metallrohr als Rückleiter dienen (s.
deutsche Patentschrift 1081720).
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Die bisher bekannten Einrichtungen zum eiektrischen Beheizen von flächigen
Belägen hatten jedoch den Nachteil, daß innerhalb des eigentlichen Heizleiters ein
Wärmestau auftritt, da der um den eigentlichen Heizleiter herum angeordnete Isolierstoffmantel
notgedrungenermaßen eine schlechte vJärmeleitfähigkeit aufweist. Dies hat zur Folge,
daß zwischen dem eigentlichen Heizleiter und dem Außenrohr ein relativ hohes Temperaturgefälle
auftritt. Dieses Problem wird dadurch noch erhöht, daß es sich herstellungsmäßig
nicht vermeiden läßt, daß zwischen dem mit dem Isolierstoff ummantelten inneren
Heizleiter und dem einen mechanischen Schutz gewährenden Außenrohr ein gewisser
Spalt vorhanden ist, der die Übertragung der innerhalb des Innenleiters entwickelten
Wärme negativ beeinflußt. Aus diesen obengenannten Gründen erweist es sich als notwendig,
stark hitzebeständige Isolierstoffrnaterialien zu verwenden, die notgedrungenermaßen
relativ teuer sind.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Heizeinrichtung zum elektrischen
Beheizen von flächigen Belägen zu schaffen, die eine unmittelbare, nicht durch Isolierhüllen
behinderte Wärmeabgabe erlaubt, ohne daß die Sicherheit durch zu hohe Berührungsspannungen
gefährdet ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das metallische Außenrohr
aus ferromagnetischem, elektrischem Widerstandsmaterial besteht, daß das metallische
Außenrohr an einem Ende mit dem Innenleiter geringen elektrischen Widerstandes verbunden
ist, während am anderen Ende an das Außenrohr und den Innenleiter die Wechselspannung
angelegt ist, und daß das metallische Außenrohr eine Wandstärke aufweist, die größer
als die Eindringtiefe des Wechselstromes ist.
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Durch Verwendung von ferromagnetischen Außenrohren und einer Wechselstromspeisung
ergibt sich, daß die Wärme im wesentlichen entlang der Innenseite des Außenrohrs
entwickelt wird. Auf Grund der Tatsache, daß die Wandstärke der aus ferromagnetischem
Material bestehenden Außenrohre größer als die Eindringtiefe des Wechselstromes
ist, wird ferner erreicht, daß an der Außenobeefläehe 4er Außenrohre keine elektrischen
Ströme fließen. Die Außenrohre können somit in bekannter Weise ohne zusätzliche
Isolierung direkt in den zu beheizenden flächigen Belag eingesetzt werden.
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Gemäß der Erfindung dient der Innenleiter einzig und allein der Zufuhr
des elektrischen Stromes, so daß er aus gut leitendem Leitermaterial - wie Kupfer
oder Aluminium - gefertigt werden kann. Da der Widerstand des Innenleiters im allgemeinen
gegenüber dem Widerstand des ferromagnetischen Außenrohres vernachlässigbar ist,
wird entlang des Innenleiters praktisch keine Wärme erzeugt. Demzufolge kann sich
zwischen dem Innenleiter und dem Außenrohr kein Wärmestau ausbilden, so daß relativ
billige Isolierstoffe verwendet werden können, wobei ferner das Vorhandensein eines
zwischen der Isolierung und dem Außenrohr auftretenden Luftspaltes keine Rolle spielt.
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Da auf Grund des Hauteffektes die Wechselstöme nicht bis an die Außenfläche
der Außenrohre dringen können, können selbst beim Auftreten eines Kurzschlusses
zwischem dem Innenleiter und der Innenseite des Außenrohres keine Spannungen an
dessen Außenseite auftreten. Demzufolge müssen keine besonderen Schutzeinrichtungen
(s. beispielsweise österreichische Patentschrift 258 340) vorgesehen sein, die zum
Schutz von Mensch und Tier beim Auftreten eines Kurzschlusses ein sofortiges Abschalten
der Heizeinrichtung bewirken.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr in Windungen gelegt ist, die durch metallische Verbindungsstege
miteinander verbunden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der Stromverteilung eines Außenrohres,
in dessen Innerem ein von Wechselstrom durchflossener Leiter angeordnetist, F i
g. 2 eine schematische Ansicht der Stromverteilung bei einer Heizeinrichtung gemäß
der Erfindung, F i g. 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie X-Y von
F i g. 4 und F i g. 4 die Ansicht einer in eine Oberfläche eingebetteten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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F i g. 1 zeigt eine Wechselstromquelle 1, die mit einem isolierten
Innenleiter 3 verbunden ist, welcher, wie in der Figur zu sehen ist, durch ein Außenrohr
2 geführt ist. Sobald Wechselspannung mit der üblichen Netzfrequenz angelegt wird,
fließt in den Innenleiter 3 ein elektrischer Strom, der im folgenden i genannt werden
soll. In dem aus ferromagnetischem Material bestehenden Außenrohr 2 fließt dann
sowohl an der Innenseite wie auch an der Außenseite ein Strom i, der ungefähr die
gleiche Stärke wie der Strom i hat. Der Strom i ist somit ein Wirbelstrom, der eine
Oberflächenströmung zur Folge hat.
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Bekanntlich kann die Wechselstromeindringtiefe d (cm) durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden: wobei
U der spezifische Widerstand [Q cm] , ,u die Permeabilität (0) und f die Frequenz
der Stromquelle [1/sec] ist:
Bei dem in F i g. 1 gezeigten Spannungsmesser
9 tritt dabei ferner zwischen den Klemmen p und q eine Spannung auf, deren Wert
ungefähr der Hälfte der Spannung der Stromquelle 1 entspricht. Bei Kurzschluß oder
Erdung zwischen p und q Klemmen variiert der Strom i. Diese Anordnung weist
somit den erheblichen Nachteil auf, daß Menschen oder Tiere einer Spannung ausgesetzt
und dadurch verletzt werden können.
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Die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist
in F i g. 2 gezeigt. Der mit einer Stromquelle 1 verbundene und isolierte Leiter
3 ist durch das Innere des Außenrohres 2 geführt und an einer mit einem Ende des
Außenrohres 2 verbundenen Klemme 4 angeschlossen. Der andere Anschluß der Stromquelle
1 ist an einer mit dem anderen Ende des Rohres 2 verbundenen Klemme 5 angeschlos3en.
Auf Grund des Hauteffektes fließt der durch das Außenrohr 2 fließende Strom nur
an der Innenseite der Rohrwandung, jedoch nicht an der Außenseite des Rohres 2.
Wenn somit die an der Außenseite des Rohres 2 angebrachten Klemmen p und q mit einem
Spannungsmesser 9 verbunden werden, wird an denselben die Spannung 0 gemessen. Somit
tritt selbst bei Erdung an den Stellen 8 und 8' kein Erdstrom auf.
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Die Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der Praxis
anuewendet werden. indem das in F i g. 2 schematisch dargestellte Außenrohr 2 als
Heizelement verwendet wird. F i g. 3 und 4 zeigen die Anordnung solcher unter einer
Oberfläche verlegter Heizelemente. Diese Figuren zeigen die Stromquelle 1, das Außenrohr
2, isolierte Innenleiter 3, Klemmen 4, 5 und 6 und die Erde B. Der Wechselstrom
fließt von der Stromquelle 1 über die Klemme 6 zu dem an der Innenseite des Rohres
2 angeordneten isolierten Innenleiter 3 und gelangt an die Klemme 4, von wo aus
er nur an der Oberfläche der Innenwand des Rohres 2 entlang fließt. An der Klemme
5 tritt er aus dem Außenrohr 2 aus und fließt zur Stromquelle 1 zurück. Wenn deshalb
ein derartiges Außenrohr 2 in Asphaltzement, einen leitfähigen Erdmaterial o. dgl.
eingebettet ist und wenn zusätzlich noch ein Kurzschluß nach außen hin erzeugt wird,
dann bleibt der Strom i trotzdem konstant. Dabei fließen solange keine Erd- oder
Kurzschlußströme. solange die Isolierung des Innenleiters 3 von der Klemme 6 zur
Klemme 4 intakt bleibt. Dies bedeutet, daß nach außen hin kein Spannung auftritt,
die Menschen und Tieren schädlich sein könnte.
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Da das aus dem Außenrohr 2 und dem Innenleiter 3 bestehende Heizelement
aus Eisen besteht, paßt es sich gut an Zement, Asphalt oder ähnlichen Materialien
an, die zur Herstellung von Straßen, Fußböden oder Mauern verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise wird eine derartige Heizeinrichtung mit Hilfe von
Verbindungsstegen 7 verstärkt, so daß sich eine relativ starke und leicht verlegbare
Konstruktionsweise ergibt. Durch Verwendung von verhältnismäßig breiten Verbindungsstegen
7 wird ferner die Temperaturverteilung auf der Oberfläche von Straßen, Fußböden
und Mauern ausgeglichen.
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Obwohl die Beschreibung sich auf einen Stromkreis mit einer einphasigen
Wechselstromquelle bezieht, so soll es doch verstanden sein, daß bei Verwendung
von einer oder mehreren wärmeerzeugenden Außenrohren 2 auch mehrphasige elektrische
Stromquellen verwendet werden können, die in übereinstimmung mit dem Vorhandensein
eines bestehenden Starkstromnetzes bzw. der Dimensionierung eines wärmeerzeugenden
Stromkreises ausgelegt sein müssen.