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Die Erfindung betrifft einen beheizbaren Körper.
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Ein derartiger, beheizbarer Körper kann zum Beispiel eine Trockenwalze sein, wie sie in der Textil- oder Papierindustrie zur Trocknung Feuchtigkeit enthaltender Bahnen zum Einsatz kommt, die über den Körper geführt werden, wobei auf Grund der erwärmten Oberfläche des Körpers die in den Bahnen enthaltene Feuchtigkeit beschleunigt abgegeben und die Bahn somit getrocknet wird.
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Bevorzugtes Heizmedium derartiger Körper ist bisher Dampf, der im Wesentlichen mit einem Druck von bis zu 10 bar in den Körper gegeben wird. Durch das Kondensieren des Dampfes erfolgt die Wärmeübertragung an den Körper und somit an die zu trocknende Bahn. Eine direkte Beaufschlagung der Heizflächen durch Brennstoffe ist ebenfalls Stand der Technik. Bisher ist die Nutzung von elektrischen Heizquellen in Form von Heizstäben innerhalb des Körpers eher in den Hintergrund getreten. Nur wenige Prozesse wurden mit elektrischen Heizquellen ausgestattet, da die Kosten hierfür ein Vielfaches flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe betrugen.
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Mit der notwendigen Reduktion der Nutzung fossiler Brennstoffe und gesteigerter Nutzung der erneuerbaren Energien steht die Direkt-Strom-Nutzung im Vordergrund. Insbesondere in ländlichen Gebieten wird durch die dort machbare Eigenstromerzeugung ein zusätzlicher Erwerbszweig ermöglicht.
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Der bisher bekannte Stand der Technik weist hohe Wärmeübertragungsverluste auf, wobei es teilweise auch zu Systemüberhitzungen kommen kann. Beispielsweise zeigt die
DE 886 182 B einen elektrisch beheizten Trockenzylinder mit einer gegenüber dem rotierenden Trockenzylinder stillstehenden Heizvorrichtung. Zwischen der Heizvorrichtung und der Innenoberfläche des Trockenzylinders ist ein Abstand gegeben, der durch den hohen Wärmeübergangswiderstand der enthaltenen Luft zu hohen Verlusten führt.
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Die
DE 1 757 215 C betrifft ein Trägergewebe, wie es insbesondere bei Bodenheizungen zum Einsatz kommen kann. In das Trägergewebe sind wendelförmige Heizkabel eingearbeitet, die mittels einer elektrischen Stromversorgung betrieben werden.
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Das Gebrauchsmuster
DE 20 308 113 U1 beschreibt ein elektrisches Flächenelement zum elektrischen Heizen oder zur Stromableitung mit zumindest einem elektrischen Leitelement, das zwischen schlauchförmigen Kontaktleitern verlegt ist.
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In der
DE 2 209 793 A ist eine rohrförmige, mit Heißwasser betriebene Bodenbelagheizung offenbart, die nur für Einsatzzwecke in zwei Dimensionen und bevorzugt für Straßen, Brückenbeläge und Pisten verwendbar ist. Hier sind mehrere Heizstationen vorhanden, die einzelne Streckenabschnitte zwischen den Stationen mit einer Heizlast bedienen.
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Aus der
DE 39 07 557 A1 ist es ferner bekannt, eine Heizdecke mit mehreren Heizdrähten auszustatten, die kreuzungsfrei angeordnet sind und über gemeinsame Stromanschlüsse in Einzelabschnitten verlegt werden. Eine unterhalb der Heizdrähte vorhandene Drahtebene erzeugt eine Infrarotstrahlung. Beide Systeme sind in einer nichtleitenden Faserbahn verwebt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch beheizbaren Körper bereitzustellen, der möglichst verlustarm und variabel beheizt werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich anschließenden Unteransprüche.
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In oder auf dem beheizbaren Körper ist erfindungsgemäß zu seiner Beheizung mindestens eine modulare Anordnung von flexibel ausgeführten, elektrisch betriebenen Heizbahnen mit Direktkontakt zur Oberfläche des Körpers vorhanden, wobei die Heizbahnen eine Trägerstruktur aus einem mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehenen Glasfasergewebe aufweisen.
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Unter „modularer Anordnung“ ist im erfindungsgemäßen Sinne ein Baustein- oder Baukastenprinzip zu verstehen. Dabei können die einzelnen Heizbahnen beliebig zusammengefügt und/oder angesteuert werden beziehungsweise über entsprechende Schnittstellen interagieren. Hierfür kommen einzelne Heizbahnen zum Einsatz, die durch ihre modulare Anordnung an oder in dem Körper, bei dem es sich bevorzugt um einen rotationssymmetrischen Körper handelt, eine elektrische, ansteuerbare Beheizung, bevorzugt durch erneuerbaren Strom, ermöglichen, die die benötigte Wärme lokal begrenzt oder vollflächig unmittelbar an dem gewünschten Erhitzungs- und Trocknungsbereich des Körpers erzeugt.
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Dabei ist im erfindungsgemäßen Sinne eine flexibel ausgeführte Heizbahn an die Oberfläche des Körpers anpassbar, das heißt im weiteren Sinne, dass die Heizbahn beispielsweise verformbar, also biegsam ausgeführt ist.
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Als Trägerstruktur der zum Einsatz kommenden Heizbahnen dient vorliegend ein Glasfasergewebe, welches mindestens einseitig eine eingetrocknete, stromleitende Suspensions- oder Dispersionsbeschichtung aufweist. Auf diese Weise kann eine stromleitende Heizbahn erzeugt werden, die flexibel, also verformbar ist. Zur Änderung von Stoffeigenschaften werden Suspensionen und Dispersionen von Fasern und Faserverbunden hergestellt, die überwiegend eingetrocknet werden müssen, um als Fertigprodukt oder auch nur als Halbfertigprodukt weiterverarbeitet werden zu können.
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In an sich bekannter Weise enthält eine derartige Suspensions- oder Dispersionsbeschichtung Carbonanteile in Form von Carbon-Nanotubes, die die elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Glasfasergewebe um ein temperaturstabiles Material mit der mindestens einseitigen Beschichtung aus einer Carbon-Nanotubes-Suspension oder Dispersion.
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Der Wirkungsgrad herkömmlicher Heizverfahren mit metallischen Heizstäben beträgt nur 60 Prozent der hier beschriebenen Vorgehensweise mit den erfindungsgemäßen Heizbahnen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagen, dass das als Trägergewebe dienende Glasfasergewebe mit einem Flächengewicht von 200 bis 1600 g/ m2 mindestens einseitig eine Beschichtung aus einer Carbon-Nanotube-Suspension oder Dispersion mit einem Flächengewicht von 50 bis 200 g/m2 und auf der der Beschichtungsseite mit Carbon-Nanotubes gegenüberliegenden Seite eine elektrische Isolationsschicht aus einem Polymerwerkstoff, die jedoch wärmeleitend ist und ein Flächengewicht zwischen 50 und 800 g/m2 aufweist. Durch die mehrlagige Ausführung der Heizbahnen ergibt sich folglich eine Sandwichstruktur.
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Bei einem beheizbaren Körper nach der Erfindung ist es möglich, durch die zum Einsatz kommenden Heizbahnen, über die Breite der Heizbahn betrachtet, ein bisher unbekanntes Temperaturprofil zu verwirklichen, sodass zum Beispiel ein Temperaturbereich bis zu 400°C erzeugt werden kann. Bei derartigen Oberflächentemperaturen des zu beheizenden Körpers ist ein Glasfasergewebe als Trägerstruktur in bevorzugter Weise geeignet. Die Breite der Heizbahnen beträgt vorzugsweise mindestens 300 mm.
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Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, sind an dem erfindungsgemäß beheizbaren Körper mehrere, sandwichartig übereinander angeordnete Heizbahnen vorhanden sind, wobei zwischen den einzelnen Heizbahnen jeweils eine elektrisch isolierende aber wärmeleitende Zwischenschicht vorhanden ist.
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Dabei können die einzelnen, sandwichartig angeordneten Lagen aus Heizbahnen und Zwischenschichten kraftschlüssig, mit Klemmringen oder mittels eines aufgebrachten Druckes, aneinander und an dem Körper fixiert oder stoffschlüssig miteinander und mit dem Körper verbunden werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Wärmeleistung der vorhandenen Heizbahnen mindestens 2 kW / Quadratmeter, wobei die Heizbahnen auch mit einer elektrischen Leistung von mindestens 2 kW / Quadratmeter bei einem Wirkungsgrad von mindestens 95% betrieben werden und zudem eine vielphasige elektrische Einspeisung mit einer Spannungsversorgung von mindestens 230 V aufweisen.
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Ein besonderes Problem stellt sich, wenn es sich bei dem beheizbaren Körper um einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Körper handelt, der als Sonderform einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist. In diesem Fall muss eine Lösung für die Stromzuführung zu den Heizbahnen gefunden werden, die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung darin besteht, dass der Körper eine Drehdurchführung für die Spannungsversorgung der Heizbahnen aufweist. Derartige Drehdurchführungen sind an sich bekannt und lassen sich für den vorliegenden Einsatzzweck sinnvoll nutzen, da sie einfach und kostengünstig ausgeführt sind.
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Um die einzelnen Heizbahnen einzeln oder gruppenweise elektrisch ansteuern zu können, ist eine elektronische Steuerung erforderlich, deren Ausführung und Einsatz dem hier zuständigen Fachmann bekannt ist.
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Die flexiblen Heizbahnen werden erfindungsgemäß und in Längsrichtung des Körpers betrachtet, in zueinander parallelen Bahnen oder als Einzelstücke in oder an dem Körper angeordnet. Auf diese Weise lässt sich mittels der elektrisch einzeln oder in Gruppen ansteuerbaren Heizbahnen eine flexible Beheizung einzelner Bereiche des Körpers umsetzen. Dadurch können nur die Bereiche des Körpers beheizt werden, in denen tatsächlich Wärmeenergie benötigt wird wodurch erhebliche Mengen an Elektroenergie eingespart werden können.
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Durch die zuvor bereits erwähnte Beschichtung des Glasfasergewebes können die Heizbahnen bedarfsgerecht ausgeführt werden. So ist es beispielsweise entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass die Heizbahnen aus leitfähigen Streifen oder aus beschichteten voll- oder teilflächigen, leitfähigen Bereichen bestehen.
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Eine spezielle Ausführungsvariante des beheizbaren Körpers ist ferner darin zu sehen, dass dieser ein Hohlkörper ist, in oder auf dem zu seiner Beheizung mindestens eine modulare Anordnung von flexibel ausgeführten, elektrisch betriebenen Heizbahnen vorhanden ist. Wie zuvor bereits erwähnt wurde, kann eine Spezialform ein Körper mit einem kreiszylindrischen Querschnitt sein. Wird dieser als Hohlkörper ausgeführt, so handelt es sich folglich um einen Hohlzylinder.
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Neben der zuvor erwähnten Zylinder- oder Hohlzylinderform kann der Körper jedoch auch jede beliebige Oberflächengeometrie aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass der Körper Vertiefungen, Muster, Logos, Negativ-Formen von Lebensmittelprodukten oder Kunststoffteilen aufweist.
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Darüber hinaus kann entsprechend einer weiterbildenden Maßnahme der Erfindung der Körper ein rotierend gelagerter Kreiszylinder aus Guss, Stahl, Kunststoff oder aus einem Verbundstoff sein, an dessen beheizter Oberfläche bahnförmige, entlang der Oberfläche geführte, Feuchtigkeit enthaltende Materialien getrocknet werden. Bei den bahnförmigen Materialien kann es sich zum Beispiel um Textilbahnen oder Papierbahnen handeln.
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Während des Trocknungsprozesses tritt Feuchtigkeit aus, sodass einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung folgend, vorgeschlagen wird, dass die Heizbahnen und die zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Heizbahnen und der elektronischen Steuerung verwendeten Elektroleitungen mit einem isolierenden Kunststoff laminiert sind, der jedoch wärmeleitend ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen dabei keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung eines Prinzips der Erfindung.
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Gleiche oder gleichartige Bauteile werden stets mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind.
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Es zeigt:
- 1: einen Körper mit einem kreiszylindrischen Querschnitt
und
- 2: einen Körper in einer Ausführung als Hohlzylinder.
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Der in der 1 dargestellte, beheizbare Körper 1 weist einen kreiszylindrischen Querschnitt auf und besteht aus einem Vollmaterial wie beispielsweise Guss, Stahl, Kunststoff oder Verbundstoff. Mittels einer vielphasigen, elektrischen Einspeisung 6 und einer in den 1 und 2 nur andeutungsweise gezeigten, elektronischen Steuerung 7 erfolgt die einzelne oder gruppenweise Ansteuerung der flexiblen Heizbahnen 2 bis 5, die bei dem dargestellten Beispiel jeweils eine Breite von 300 mm aufweisen. Natürlich können die Heizbahnen 2 bis 5 auch andere Breiten aufweisen. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten, zweilagigen Ausführung der Heizbahnen 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 kann im Bedarfsfall die Lagenzahl beliebig erhöht werden. Wie aus der 1 ferner hervorgeht, besteht neben der Anordnung der Heizbahnen 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 übereinander auch die Möglichkeit, neben den Heizbahnen 2, 3, in axialer Längsrichtung des Körpers 1 betrachtet, nebeneinander weitere Heizbahnen 4, 5 auf der Außenoberfläche 10 des Körpers 1 anzuordnen. In der 1 ist in dem ausgebrochen dargestellten Bereich der Heizbahn 5 beispielhaft für alle anderen Heizbahnen das einliegende Glasfasergewebe 11 erkennbar, welches ein temperaturstabiles Material ist und mit einer zumindest einseitigen Beschichtung aus einer Carbon-Nanotubes-Suspension oder Dispersion versehen ist.
Die Form des Körpers 1 kann über seine Breite variieren, sodass zum Beispiel die äußere Lage unsymmetrische Vertiefungen, Muster, Logos sowie Negativ-Formen von Lebensmittelprodukten oder Kunststoffteilen in der Oberfläche enthalten kann.
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Bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Körpers 1 handelt es sich um einen Hohlzylinder mit einer vielphasigen elektrischen Einspeisung 6. Auch dieser Körper 1 kann aus Werkstoffen, wie Guss, Stahl, Kunststoff oder Verbundstoff bestehen. Die Heizbahnen 2 und 3 sind auch hier lagenweise übereinander geschichtet. Ebenso verhält es sich mit den Heizbahnen 4 und 5. Im Unterschied zu der Ausführungsvariante in 1 werden die Heizbahnen 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 hierbei jedoch in Richtung des Pfeils A in den Hohlraum 8 des hohlzylindrischen Körpers 1 eingeführt. Die Heizbahnen 2 und 3 beziehungsweise 4 und 5 liegen somit parallel zueinander an der Innenmantelfläche 9 des Körpers 1 an, was durch ihre Flexibilität optimal gelingt. In Längsrichtung des Körpers 1 betrachtet, sind auch bei dem in 2 gezeigten Beispiel Heizbahnen 2 und 3 neben den Heizbahnen 4 und 5 vorgesehen. Auch hier ist es möglich, mehr als die jeweils zwei übereinander dargestellten Heizbahnen 2, 3 beziehungsweise 4, 5 vorzusehen, die schichtweise übereinander angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Körper
- 2
- Heizbahn
- 3
- Heizbahn
- 4
- Heizbahn
- 5
- Heizbahn
- 6
- elektrische Einspeisung (Elektroleitungen)
- 7
- elektronische Steuerung
- 8
- Hohlraum
- 9
- Innenmantelfläche
- 10
- Außenoberfläche
- 11
- Glasfasergewebe mit Nano-Carbonschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 886182 B [0005]
- DE 1757215 C [0006]
- DE 20308113 U1 [0007]
- DE 2209793 A [0008]
- DE 3907557 A1 [0009]
