-
Warmluftgerät
-
Die Erfindung betrifft ein Warmluftgerät - wie Heizlüfter, Haartrockner
od.dgl. - zur Erzeugung eines durch einen Durchlaßquerschnitt durchtretenden erwärmten
Luftstrom, mit einem im Durchlaßquerschnitt aggeordneten elektrischen Heizkörper
mit zumindest einem in Windungen angeordneten Heizleiter.
-
Warmluftgeräte dieser Gattung werden für unterschiedlichste Anwendungszwecke
vorgesehen und weisen in aller Regel zu -nächst einen motorbetriebenen Lüfter auf,
durch den ein Luftstrom erzeugt wird. Ein solcher Lüfter ist im Rahmen der Erfindung
jedoch nicht unbedingt erforderlich, es genügt, daß aus einer insoweit beliebigen
Quelle ein Luftstrom zur Erwärmung bereitgestellt wird. Im übrigen wird der Gegenstand
der Erfindung zwar einfachheitshalber und mit Rücksicht auf
den
häufigsten Anwendungsfall als Warmluftgerät bezeichnet, nichts destoweniger läßt
die Lehre der Erfindung sich aber auch bei der Erwärmung anderer gasförmiger Medien
als Luft und auch zur Erwärmung flüssiger Medien einsetzen.
-
Dementsprechend umfaßt der im folgenden gebrauchte Begriff Luftstrom
stets auch andere,gasförmige oder flüssige, strömende Medien.
-
Die Erwärmung erfolgt jedenfalls mit einem Heizkörper der in einem
von dem Medium durchströmtem Durchlassquerschnitt angeordnet ist. Bei dem Heizkörper
handelt es sich um einen elektrischen Widerstandsheizkörper, der dementsprechend
zumindest einen auf einen geeigneten Träger aufgebrachten Heizleiter aufweist. Der
Heizleiter besteht aus einem Draht oder Band aus geeignetem Widerstandsmaterial
und ist in Form von Windungen angeordnet, um die erforderliche Länge unterzubringen
und zugleich die Heizleitung über den Durchlassquerschnitt zu verteilen. Für die
Ausbildung der Windungen bestehen im wesentlichen zwei Möglichkeiten: Der Heizleiter
kann schraubenwendelförmig aufewick>Get sein, oder kann zickzack- oder mäanderförmig
gelegt sein, wobei in beiden Fällen üblicherweise ein Träger aus geeignetem elektrisch
und thermisch isAierenden Material(auf Basis von Glimmer,Asbest usw.) vorgesehen
ist. Die einzelnen Windungen folgen ent -lang einer Windungsachse aufeinander, es
wird davon ausgegangen, daß die Windungsachse unter einem von Null verschiedenen,
üblicherweise einem rechten Winkel zum Luftstrom angeordnet ist.
-
Bekannte Warmluftgeräte der beschriebenen Gattung sind so ausgebildet,
daß die abgegebene Heizleistung mehr oder weniger gleichförmig über den gesamten
Durchlaßquerschnitt verteilt ist. Das ergibt sich schon daraus, daß aufgrund der
herrschenden
Fertigungstechnik die Heizleiter üblicherweise mit
über ihre ganze Länge gleichmaßigen Windungsabständen ausgeführt werden. Infolgedessen
ist es bei den bekannten Warmluftgeräten der beschriebenen Gattung nicht möglich,
die Temperaturverteilung im austretenden erwärmten Luftstrom gezielt zu baoinflussen.
Insbesondere erzeugen die üblichen Lüfter konstruktionsbedingt im Durchlassquer
-schnitt im allgemeinen keine homogene Strömungsverteilung. Vielmehr variieren Strömungsgeschwindigkeit
und damit Luftdurchsatz in für den jeweiligen Lüftertyp charakteristischer Weise
über den Durchlassquerschnitt. Infolgedessen wird die hindurch tretende Luft ungleichförmig
erwärmt, wobei mit hoher Geschwindigkeit strömende Anteile kälter bleiben als mit
niedriger Geschwindigkeit strömende Anteile. Umgekehrt haben diese Verhältnisse
zur Folge, daß der Heizleiter in solchen Bereichen des Durchlaßquerschnitts, in
denen eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit herrscht, nur wenig Wärme abgibt, sodaß
die Gefahr einer Überlæ tung und Zerstörung des Heizleiters besteht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Warmluftgerät der eingangs
erläuterten Gattung so weiter zu bilden, daß eine gezielte Beeinflussung der Temperatur
im erwämten Luftstrom möglich ist, und daß insbesondere eine gleichmäßige Erwärmung
des Luftstroms unter optimalen Betriebsbedingungen für den Heizleiter erreicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Maßgabe
der gewünschten örtlichen Verteilung der Temperatur im Luftstrom der Windungsabsta«
zwischen benachbarten Windungen des Heizleiters sich über dem Durchlassquerschnitt
ändert. - Die Erfindung geht damit davon aus, daß die Temperaturverteilung im austretenden,
erwärmten Luftstrom das Produkt ist einerseits aus der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit,
genauer: Der Massenströmung, und andererseits der Verteilung der Wärmeabgabe über
den Durchla
ß querschnitt. Hiervon ausgehend lehrt die Erfindung,
die Wärmeabgabe in der Weise im Durchlaßquerschnitt ortabhängig auszulegen, daß
- selbstverständlich unter Berücksichtigung der bekannten bzw. ohne weiteres feststellbaren
Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. (unter zusätzlicher Berücksichtigung
der Druckverteilung) der Massenströmung - eine gewünschte örtliche Verteilung der
Temperatur im austretenden Luftstrom resultiert. Das gelingt erfindungsgemäß dadurch,
daß der Windungsabstand zwischen benachbarten Windungen des Heizleiters in entsprechend
vorbestimmter Weise im Durchlaßquerschnitt ortsabhängig ausgelegt wird. Ein solcher
Heizleiter läßt sich ohne weiteres in der Praxis realisieren, beispiels-weise dadurch,
daß eine Schraubenwendel aus Widerstandsdraht mit variabler Steigung gewickelt wird.
Auf den Fall eines'zick-zack- oder mäanderförmig gelegten Heizleiters wird nachfolgend
noch näher eingegangen.
-
Schafft die Erfindung allgemein die Möglichkeit, eine vorbestimmte
Temperaturverteilung im Luftstrom einzustellen, so ist eine zu bevorzugende Ausführungsform,
mit der eine im gesamten Luftstrom im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung erreicht
wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei sich über den Durchlaßquerschnitt ändernder
hindurchtretender Luftmenge der Windungsabstand zwischen benachbarten Windungen
des Heizleiters sich umgekehrt entsprechend der Luftmenge über den Durchlaßquerschnitt
ändert. Die hindurchtretende Luftmenge ergibt sich in Strenge als Produkt aus ortsabhängiger
Strömungsgeschwindigkeit und gleichfalls ortsabhängigem Druck. Die Änderung des
Windungsabstands über dem Durchlaßquerschnitt verläuft umgekehrt zur Änderung der
hindurchtretenden Luftmenge, d.h. an Stellen starker Strömung liegen die Windungen
dicht, und an Stellen geringerer Strömung liegen die Windungen in größerem gegenseitigem
Abstand. Besonders übersichtliche Verhältnisse
gelten, wenn man
- was meist zulässig ist - davon ausgeht, daß der Druck konstant ist und folglich
an die Stelle der hindurchtretenden Luftmenge die leichtmeßbare Strömungsgeschwindigkeit
gesetzt werden kann. Für diesen Fall lehrt die Erfindung, daß der Windungsabstand
umgekehrt proportional der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit ist.
-
Im allgemeren variieren die Strömungsverhältniss im Durchlaßquerschnitt
in Form eines mehr oder weniger komplizierten Strömungsprofils. Daraus resultiert
das im Einzelfall mehr oder weniger schwierige Problem, die Heizleiter so anzuordnen
und auszubilden, das unter Berücksichtigung dieses Strömungsprofils die angestreRe
Temperaturverteilung, insbesondere also gleichmäßige Erwärmung im erwärmten Luftstrom
erreicht wird. In dieser Hinsicht werden optimale Voraussetzungen geschaffen, wenn
die Heizleiter sich im wesentlichen in Richtung stärkster Änderung der durch den
Durchlaßquerschnitt hindurchtretenden Luftmenge, mit anderen Worten also in Richtung
des Gradienten der hindurchtretenden Luftmenge erstrecken. Dabei kann -wie bereits
erwähnt - hier und im folgenden anstelle der durch den Durchlaßquerschnitt hindurchtretenden
Luftmenge die Strömungsgeschwindigkeit gesetzt werden, wenn der Druck der Luft bzw.
des jeweiligen Mediums als konstant angesehen werden kann. Im übrigen kann es sich
aus konstruktiven Gründen empfehlen, die Heizleiter nur näherungsweise, d.h.
-
"im wesentlichen11 in Richtung des Gradienten anzuordnen.
-
Im einzelnen hängt die Anordnung der Heizleiter von dem jeweils vorliegenden
Strömungsprofil ab. Häufig ändert dies sich in zueinander senkrechten Richtungen
unterschiedlich stark. Sind dabei mehrere nebeneinander angeordnete Heizleiter vorgesehen,
so wird man diese zunächst wie erläutert im wesentlichen in Gradientenrichtung anordnen.
Ferner empfhielt es sich, wenn der seitliche Abstand zwischen benachbarten
Heizleiter
sich umgekehrt entsprechend der hindurchtretenden Luftmenge über dem Durchlaßquerschnitt
ändert. Dabei werden häufig bereits befriedigende Ergebnisse erreicht, wenn der
seitliche Abstand zwischen den Heizleitern der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit
umgekehrt proportional ist. Dabei kann der seitliche Abstand zwischen benachbarten
Heizleitern sich auch über den Durchlaßquerschnitt ändern, so daß die nebeneinander
angeordneten Heizleiter in Richtung abnehmender hindurchtretender Luftmenge divergieren.
Bei geradliniger Windungslängsachse ergibt sich dabei eine fächerförmige Anordnung,
soweit die technologischen Möglichkeiten es zulassen, können die Windungslängsachsen
aber auch gekrümmt verlaufen.
-
Die beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in fertigungstechnischer
Hinsicht besonders einfach und bei besonders hoher Heizleiterbelastbarkeit mit Heizleitern
verwirklichen, die zick-zack- oder mäanderförmig gelegt und ir Aussparungen von
Halteplatten aus Isoliermaterial gehalten sind. Eine solche Ausbildung eines Heizkörpers
ist an sich bekannt (vgl. DT-PS 11 85 743). Für den Fall, daß derartige Heizleiter
vorgesehen sind, lehrt die Erfindung, daß die Abstände zwischen benachbarten Aussparungen
sich über den Durchlaßquerschnitt ändern. Die Gestaltung der Aussparen selbst hängt
dabei davon ab, wie weit die Windungen in die Aussparungen einfassen, ob die Halteplatten
also im Bereich der Windungsumkehrstellen oder mehr im Bereich der Windung längsachse
angeordnet sind. In jedem Fall werden mit der Auslegung der Aussparungen die Windungen
des Heizleiters eindeutig festgelegt. In fertigungstechnischer Hinsicht ist es dabei
besonders vorteilhaft, die Heizleiter aus einem Abschnitt einer fortlaufend und
gleichförmig zick-zack- bzw. mäanderförmig gelegten Länge des Heizleitermaterials
herzustellen. Dabei kann der Heizleiter selbst
mit den Windungen
kontinuierlich und gleichförmig vorgefertigt werden, die Haltplatten mit den Aussparungen
werden gleichfalls in einfacher Weise wrgefertigt, und die vorgesehenen Windungsabstände
stellen sich bei der Montage aufgrund der Anordnung der Aussparungen ohne weiteres
ein.
-
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile bestehen im wesentlichen
darin, daß bei einem Warmluftgerä-t der eingangs beschriebenen Gattung einerseits
eine vorbestimmte Temperaturverteilung im erwärmten Luftstrom erreicht werden kann.
Beispidsweise besteht die Möglichkeit, einen verhältnismäßig hoch erwärmten Kern
strahl durch umgebende, weniger hoch erwärmte Randzonen gegen Wärmeverlust zu schützen.
Andererseits besteht die besonders vorteilhafte Möglichkeit, einen erwärmten Luftstrom
zu erzeugen, der in seinem gesamten Querschnitt weitgehend gleichmäßige Temperatur
aufweist. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß örtliche Überhitzungen der Heizleiter
vermieden werden, weil im gesamten Durchlaßquerschnitt das Wärmeangebot der jeweils
hindurchtretenden Luftmenge angepaßt ist, so daß Beschädigungen der Heizleiter durch
Überlastung vermieden werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 einen Heizkörper für ein Warmluftgerät in Seitenansicht,
Fig. 2 den Gegenstand der Figur 1 in Aufsicht, Fig. 3 den Gegenstand der Figur 1
im Schnitt III-III, Fig. 4 den Gegenstand der Figur 1 in Stirnansicht, Fig. 5 in
schematischer Darstellung einen Haartrockner mit angedeuteten Strömungsprofil.
-
Fig. 6 in schematischer Darstellung einen Heizlüfter mit angedeutetem
Strömungsprofil, Fig. 7 ein anderes Warmluftgerät mit angedeutetem Strömungsprofil.
-
Die Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Heizkörpers 1, der dazu
bestimmt ist, in dem Durchlaßquerschnitt eines Warmluftgerätes, beispielsweise eines
Heizlüfters eingesetzt zu werden, um den von dem Heizleiter erzeugten und durch
den Durchlaßquerschnitt hindurchtretenden Luftstrom zu erwärmen. Der Heizkörper
1 ist als elektrischer Widerstandsheizkörper ausgeführt und weist einen Heizleiter
2 in Form eines Bandes aus geeignetem Widerstandsmaterial auf. Der Heizleiter 2
ist in Form von Windungen angeordnet, die sich entlang der Windungslängsachse 3
erstrecken. Dabei sind die Abmessungen so gewählt, daß die Windungen sich über den
ganzen Durchlaßquerschnitt des (nicht dargestellten) Heizlüfters erstrecken, außerdem
liegt die Windungslängsachse 3 senkrecht zur Strömungsrichtung.
-
Bei dem in Figur 1 dargestellten Heizkörper entstehen die Windungen
des Heizleiters 2 dadurch, daß dieser zick-zackförmig gelegt und in Aussparungen
4 zweier in Abstand voneinander angeordneter Halteplatten 5 gehalten ist, was insbesondere
in Figur 3 zu erkennen ist. Die Halteplatten 5 sind seitlich an Haltebügeln 6 befestigt
und auf Abstand gehalten. Die Haltebügel 6 tragen über geeignete Verlängerungen,
vorzugsweise in Form von Rohrnieten oder Bundhülsen 7 eine Platine 8, auf der gedruckte
Leiterbahnen 9 und Regler 10 angebracht sind. Der Anschluß des Heizleiters 2 an
die Beschaltung der Platine 8 erfolgt über die Rohrnieten 7. Damit liegt der Heizkörper
in Form einer einbaufertig vormontierten Einheit vor, die lediglich in den Durchlaßquerschnitt
des entsprechenden Warmluftgeräts
eingesetzt und elektrisch angeschlossen
werden muß.
-
Die Figuren 1 und 3 zeigen deutlich, daß der Windungsabstand zwischen
benachbarten Windungen des Heizleiters 2 sich entlang der Windungslängsachse 3 über
den Durchlaßquerschnitt ändert. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß - in der
Figur nicht erkennbar - der Windungsabstand umgekehrt proportional der jeweiligen
lokalen Strömungsgeschwindigkeit im Durchlaßquerschnitt ist.
-
Diese Variation des Windungsabstandes wird dadurch erreicht, daß die
Abstände zwischen den Aussparungen 4 der Halteplatten 5, in denen der bandförmige
Heizleiter 2 gehalten ist, sich über den Durchlaßquerschnitt ändern.
-
Der Heizleiter 2 ist dabei fortlaufend und gleichförmig zick-zackförmig
aus dem Band aus Heizleitermaterial gelegt, die Variation der Windungsabstände entsteht
gemäß Anordnung und Ausbildung der Aussparungen 4 der Halteplatten 5 erst bei der
Montage.
-
Anhand der Figur 4 ist zu erkennen, daß im dargestellten Ausführungsbeispiel
2 Heizleiter 2 vorgesehen sind, die mit parallelen Windungslängsachsen nebeneinander
angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei beide Heizleiter 2 durch
entsprechendes Umbiegen ohne Unterbrech-ung aus ein und demselben Abschnitt von
Heizleitermaterial hervorgehen.
-
Die folgenden -Figuren zeiwn beispielhaft verschiedene Anwendungsfälle,
in denen der durch den Durchlaßquerschnitt hindurchtretende Luftstrom sich entsprechend
der Bauart des jeweiligen Lüfters über den Durchlaßquerschnitt ändern.
-
Der in Figur 5 dargestellte Fön ist. mit einem sog. Kreiselradgeblase
ausgerüstet. Man erkennt, wie das Strömung profil ein ausgeprägtes Maximum aufweist,
das gegenüber der Mitte des Luftaustrittsquerschnitts seitlich verschoben ist.
-
Darunter ist schematisch angedeutet, wie die Windungsabstände eines
Heizkörpers sich über den Luftdurchlaßquerschnitt ändern, damit eine gleichmäßige
Temperatur im Luftstrom erreicht wird.
-
Die Figur 6 zeigt einen Heizlüfter mit Tangenialgebläse, bei dem das
Strömungsprofil in einer die Gebläseachse enthaltenden Ebene die Gestalt einer im
wesentlichen symmetrischen Glockenkurve aufweist. Darunter ist wiederum schematisch
ein Heizelement dargestellt, mit den im Luftstrom im wesentlichen gleichmäßige Temperatur
erreicht würde.
-
Die Figur 7 zeigt ein weiteres Warmluftgerät, bei dem das Strömungsprofil
zwei Intensitätsspitzen und in der Mitte zwischen diesen ein ausgeprkgtes Minimum
aufweist In diesem Fall würde gleichmäßig die Temperatur des austretenden Luftstroms
mit dem in Figur l dargestellten Heizkörper erreicht werden.
-
Zur Erzielung gleichmäßiger Temperatur im austretenden Luftstrom sind
in jedem Fall die Heizleiter mit ihrer Windungslängsachse im wesentlichen in Richtung
stärkster Änderung der durch den Durchlaßquerschnitt hindurchtretenden Luftmenge'
d.h. also in Richtung des Gradienten des Strömungsprofils angeordnet. Dabei wird
selbstverständlich nur die - beispielsweise durch die Bauart des Lüfters bedingte
- Änderung innerhalb des Durchlaßquerschnitts berücksichtigt, der steile Abfall
der hindurchtretenden Luftmenge an den Grenzen des Durchlrßquerschnitts bleibt außer
Betracht. Soll andererseits nicht gleichmäßige Temperatur sondern ein sehr oder
weniger beliebig vorgeg*»enes Temperaturprofil ist auftretenden Luftstrom erreicht
werden, so sind die Verhältnis>e etwas kompltaiertor, weil zugleich
auch
das Strömungsprofil berücksichtigt werden muß. Es gilt, daß die Heizleiter sich
zumindest im wesentlichen in Richtung der stärksten Änderung der erforderlichen
Wärmezufuhr zum Luftstrom erstrecken sollten.