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Röhrenförmiges, elektrisches Heizelement
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Zusammenfassung Heizelement zum Anbringen in einem zylindrischen oder
konischen Luftkanal in Form eines Hohlzylinders oder eines Prismas oder einer lIohlpyramide
oder eines konischen Kegelstumpf es.
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Es besteht aus einem bandförmigen Widerstand, der in Spiralen auf
einem Elementträger in der gewünschten Form aufgewickelt ist. Zwischen benachbarten
Windungen verbleiben Luftzwischenräume und die flachen Seiten des Bandes bilden
eine durchgehende Oberfläche, die durch die Luftzwischenräume zwischen den Windungen
regelmäßig unterbrochen ist.
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Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Heizwicklung, insbesondere
eine Wicklung, die dazu dient, die Luft zu erwärmen, die durch einen röhrenförmigen
Kanal strömt.
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Bisher enthalten die meisten Vorrichtungen zum Erzeugen eines Heißluftstromes
ein Heizelement, bestehend aus einem Widerstand in Form einer Drahtspule auf einem
Träger, der in einem röhrenförmigen Kanal befestigt ist. Um dabei eine ausreichend
große Wärmeübergangsfläche zu schaffen, ist ein sehr langer Draht erforderlich,
der gewöhnlich auf den genannten Träger gespannt oder gewickelt ist und in Form
einer Spule mit geringem Durchmesser angebracht wird, so daß er einen großen Teil
des Kanals ausfüllt. Die mit dieser Art von Heizelement verbundenen Nachteile sind
einmal der große Strömungswiderstand für den Luftstrom, zweitens die große Drahtlänge,
die notwendig ist, um die erforderliche Wärmeübergangsfläche zu schaffen, und drittens
- als Ergebnis der großen Drahtlänge - eine gewisse Instabilität der Wicklungen,
die durch den Luftstrom verstärkt wird.
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Demnach liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Heizelement von geringen Abmessungen zu schaffen, das aufgrund seiner Konstruktion
dem Luftstrom ein Minimum an Strömungswiderstand bietet. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, ein Heizelement zu entwickeln, das im Hinblick auf eine minimale Widerstandslänge
einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten hat.
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Das röhrenförmige elektrische Heizelement, das zur Erwärmung eines
Luftstroms durch einen zylindrischen oder konischen Kanal dient, besteht aus:
einem
festen Elementträger aus nichtleitendem und wärmefestem Material, der in dem genannten
Kanal fest angebracht ist; einem bandförmigen Widerstand von großer Breite im Vergleich
zu seiner Dicke, der in Spiralen auf das Trägerelement aufgewickelt ist, wobei ein
Luftzwischenraum zwischen den benachbarten Windungen verbleibt und die flachen Seiten
aller Windungen die Außenfläche eines Zylinders, eines Prismas, einer Pyramide oder
eines konischen Kegelstumpfes bilden, und diese Außenfläche fortlaufend durch die
genannten Luftzwischenräume zwischen den benachbarten Windungen unterbrochen ist.
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Mit besonderem Vorteil wird dieses Heizelement in einem runden Kanal
angeordnet, dessen Wandungen die Form eines Kegelstumpfes haben und nach innen leicht
eingezogen sind.
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Die durchströmende Luft wird in einem Kanal derartiger Form wie in
einer Düse komprimiert, wenn sie am weiteren Ende des Kanals eingeführt wird und
ihn aus seiner engeren Öffnung wieder verläßt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Elementträger
die Form von wenigstens 4 längsgerichteten Rippen, die sich von einer gemeinsamen
Verbindungslinie aus, welche mit der Kanalachse zusammenfällt, radial bis zu einer
Linie erstrecken, welche im wesentlichen parallel und in bestimmtem Abstand zur
Kanalwandung verläuft. Um gleichmäßige Zwischnräume zwischen den Windungen des Widerstandes
sicherzustellen, sind die äußeren Kanten des
Trägers in regelmäßigen
Abständen mit flachen, rechtwinkligen Aussparungen version, die jeweils eine Windung
aufnehmen können.
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Von den beiliegenden Abbildungen, die als Beispiel zwei Ausführungsformen
eines röhrenförmigen Heizelements zeigen, stellt Fig. 1 einen Längsschnitt durch
einen Luftkanal und die Seitenansicht eines kegelstumpfförmigen, im Innern des Kanals
befestigten Elements; Fig. 2 die isometrische Ansicht eines zylindrischen, auf einen
Träger aus 4 Rippen aufgewickelten Elements; Fig. 3 einen Teil der ausgesparten
Kante einer Trägerrippe und Fig. 4 die isometrische Ansicht eines kegelstumpfförmigen
Elements mit Träger aus 4 Rippen dar.
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Unter Hinweis auf Fig. 1 der Zeichnungen enthält der Kanal 1 in Form
eines konischen Kegelstumpf es einen ringförmigen Einschnitt 11 an seinem weiten
Ende und einen Vorsprung 12 an seinem engen Ende. Es sei angenommen, daß der Kanal
von kalter Luft, die am weiten Ende eintritt, und von warmer Luft, die am engen
Ende aus tritt, durchströmt wird, wie durch Pfeile angedeutet ist. Ein Heizelement,
wie Fig. 4 dargestellt, ist im Innern des Kanals fest angebracht und besteht aus
einem bandförmigen Wider-
stand 2, der auf dem Elementträger 3 aufgewickelt
ist.
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Der Elementträger besteht aus zwei trapezförmigen Platten 31 und 311,
die sich im rechten Winkel kreuzen und entlang ihrer jeweiligen Mittellinien miteinander
verbunden sind. Sie bilden somit 4 radiale Rippen 32,32', 32'', 32"'. In die Außenkanten
der Rippen ist eine Anzahl von flachen Aussparungen 33 in gleichmäßigen Abständen
eingeschnitten, von denen jede eine Windung eines dünnen, bandförmigen Widerstandes
2 aufnimmt. In Fig. 4 sind nur einige der Windungen gezeigt, um nicht die Ansicht
des Trägers zu verdecken. Die Enden der trapezförmigen Platten sind vergrößert (35,
36) und springen über die Kanten der Rippen vor bis zur Innenwand des Kanals, wo
die Ansätze 35 in den ringförmigen Einschitt 11 am weiten Ende eingreifen, und die
Ansätze 36 an dem Vorsprung 12 am engen Ende anliegen.
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Die Drähte 37 und 38 verbinden die Enden des Widerstandes mit einer
Schaltvorrichtung.
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Fig. 2 zeigt ein zylinderförmiges Element bestehend aus einem Träger
3', der aus 2 rechtwinkligen Platten 37, 37' ähnlich wie der Träger in Fig. 4 aufgebaut
ist und der mit einem bandförmigen Widerstand 2' derart umwickelt ist, daß ein zylindrisches
Rohr mit Luftzwischenräumen zwischen jeweils 2 Windungen entsteht. Die Ansätze 35'
und 36' sind an den Ecken der rechtwinkligen Platten angebracht und dienen dazu,
das Element in einem zylindrischen Rohr festzuhalten.
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Es ist wesentlich, einen möglichst dünnen bandförmigen Widerstand
zu verwenden, um einen hohen Ohmschen Widerstand pro Längeneinheit zu haben. Vorteilhaft
wird hier-
für ein Band eingesetzt, dessen Breite etwa 50 mal größer
ist als seine Dicke, wie beispielsweise 5 mm Breite und 0,1 mm Dicke. Im Rahmen
der Erfindung können bezüglich der Wattleistung andere Verhältnisse und Dimensionen
gewählt werden, wenn dabei das Merkmal des bandförmigen Widerstandes gewahrt ist.
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Das röhrenförmige Element kann für verschiedene Zwecke modifiziert
werden. So ist beispielsweise vorgesehen, die Vorder- und Hinterkanten der Trägerrippen
wie eine Messerschneide zu schärfen, um den Luftwiderstand zu verringern.
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Zum Aufbau des Trägers kann auch eine größere Anzahl von Rippen, beispielsweise
8, verwendet werden. Ebenso ist es vorgesehen, die vollständigen Elementträger durch
Spritzguß herzustellen, oder durch Strangpressen von sternförmigen Teilen, die zu
den in den Zeichnungen dargestellten Körpern zerschnitten und geformt werden. Die
Windungen um den Träger können gespannt werden, so daß Polygone wie in Fig. 4 entstehen,
oder sie werden kreisförmig aufgewickelt wie in Fig. 2, was mit etwas steiferem
Widerstandsmaterial möglich ist.
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Die Vorzüge dieser Art von Heizelement im Vergleich zu den bisher
bekannten sind: 1. Geringer Luftwiderstand, der dank der schmalen Frontfläche dem
Luftstrom geboten wird.
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2. Einreißen der Grenzschicht, die sich bei glatten, von Luft berströmten
Flächen bil-
det, aufgrund der Luftzwischenräume, die zwischen
benachbarten Windungen hergestellt worden sind.
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Das ergibt eine überraschende Vergrößerung des spezifischen Wärmeübergangskoeffizienten,
der 11,73 koal/cm²#h erreicht, wie Messungen bei Untersuchungen ergeben haben.