DE3907179C2 - Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere Wasser, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der US-PS 4041276 ist eine Vorrichtung zur Erwärmung kleiner Mengen eines strömenden Mediums bekannt, bei der als Heizelement ein Halbleiter, z. B. ein Transistor, verwendet wird, wobei der Strom, der durch den Halbleiter fließt, durch einen Steuerkreis eingestellt wird, der einen im Wärmeaustausch mit einer Fluidkammer stehenden Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist. Die von dem temperatur­ abhängigen Widerstand erzeugte Wärme wird nur zum Teil der zu erwärmenden Flüssigkeit zugeführt; der Widerstand dient im wesentlichen für eine Selbstregulation der Temperatur.

Aus Siemens Components 25 (1987) Heft 3, S. 116, 117, Manfred Stürzer "Kleinthermostat für Heizleistung bis 5 W" und der DE 30 45 327 A1 ist es bekannt, einen Leistungstransistor unter Ausnutzung seiner Verlustleistung zum Beheizen eines Mediums zu verwenden, wobei vorzugsweise ein Leistungs- Feldeffekttransistor benutzt wird. Der Leistungstransistor wird hierzu zur Temperaturregelung bedarfsabhängig elektrisch angesteuert, z. B. indem der Steuerstrom periodisch in einem bestimmten Taktverhältnis ein- und ausgeschaltet wird, wodurch sich eine entsprechende Temperatur einstellen läßt.

Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art kompakter, einfacher und genauer regelbar und hinsichtlich der Strömungsverhältnisse günstiger zu machen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Demnach ist im Steuerkreis ein in den Halbleiterchip integrierter Temperatur- und/oder Druckfühler als Überhitzungs­ bzw. Überdruckschutz bzw. Schutz bei Verringerung der Durchflußmenge eingeschaltet, welcher bei vorgegebener Maximaltemperatur bzw. bei vorgegebenem Maximaldruck bzw. bei vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit anspricht und den Chip elektrisch sperrt. Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es somit, die Chips selbst als Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässig hohe Temperatur, gegen unzulässig hohen Druck und gegen unzulässig niedrige Strömungsgeschwindigkeit auszubilden. Außerdem sind die Lamellen oder Plättchen in einem Gehäuse in Halterungen gehalten und beidseitig vom Medium beaufschlagt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Heizvorrichtung für ein strömendes Medium in schaubildlicher Darstellung, teilweise im Schnitt.

Fig. 2 ist eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von oben.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform in einem Vertikalschnitt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist ein festes Gehäuse 3 vorgesehen, in welches das zu erwärmende Medium, insbesondere Wasser, durch einen Anschlußstutzen 4 in Richtung des Pfeiles 9 eingeleitet wird. In das Gehäuse 3 ist ein Trägerkörper 2 eingesetzt, der im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet ist und eng in das hohlzylindrische Gehäuse 3 paßt. Der Trägerkörper 2 hat an seinem Mantel mehrere in Axialrichtung verlaufende und in gleichen Abständen voneinander angeordnete Längsnuten 10, welche Strömungskanäle für das zu erwärmende Medium bilden und am unteren Stirnende des Gehäuses 3 mit dem Anschlußstutzen 4 in Verbindung stehen. Jede dieser Längsnuten 10 hat an ihrem Boden eine rillenförmige Vertiefung 11, welcher eine ähnliche Vertiefung 12 an der inneren Oberfläche des Gehäuses 3 gegenüberliegt. In jeweils eine dieser Vertiefungen 11, 12 ist ein als Plättchen 1 ausgebildetes Heizelement eingesetzt, wobei dieses Plättchen 1 von den Vertiefungen 11, 12 gehalten wird und auf diese Weise mittig im jeweiligen von der Längsnut 10 gebildeten Strömungskanal angeordnet und solcherart beidseitig vom strömenden Medium beaufschlagt ist. Jedes Plättchen 1 ist als lamellenförmige Chip-Heizwiderstand-Einheit ausgebildet. Die nicht dargestellten Anschlüsse (Eingangselektrode, Ausgangselektrode, Steuerelektrode) der einzelnen Plättchen 1 bzw. ihrer Chips sind im Inneren des Gehäuses 3 zusammengefaßt und durch nicht dargestellte Öffnungen abgedichtet aus dem Gehäuse 3 hinausgeführt. Am oberen Stirnende des Gehäuses 3 befindet sich eine nicht dargestellte Sammelkammer, in welche die einzelnen, von den Längsnuten 10 gebildeten Strömungskanäle münden und aus der das Medium durch einen Stutzen abgeführt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Gehäuse 3 schachtelförmig ausgebildet, seine Vorderwand ist der besseren Darstellungsmöglichkeit halber abgeschnitten. In das Gehäuse 3 wird das zu erwärmende Medium durch den Stutzen 4 eingeleitet und oben durch einen an der Deckenwand des Gehäuses 3 angeordneten Stutzen 5 abgeleitet. Im Hohlraum des Gehäuses 3 sind mehrere Plättchen 1 als Heizelemente parallel zueinander und in Abstand voneinander so angeordnet, daß die Ebenen der Plättchen 1 jeweils in der Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums liegen. Die einzelnen Plättchen 1 sind mittels geeigneter Halterungen 6 oben und unten starr gehalten, wobei sich die Unter- und Oberkanten der Plättchen 1 in Abstand von der Bodenwand bzw. Deckenwand des Gehäuses 3 befinden, so daß das zugeführte Medium sich auf alle zwischen den Plättchen 1 gebildeten Strömungskanäle gleichmäßig verteilen kann. Zweckmäßig sind hierzu auch die Längsränder der einzelnen Plättchen 1 in Abstand von den ihnen benachbarten Seitenwänden des Gehäuses 3. Jedes Plättchen 1 ist mit drei Anschlüssen versehen, wobei die einzelnen Plättchen einander parallel­ geschaltet sind und die gemeinsamen Zuleitungen zu einer Anschlußleiste 7 geführt sind. 8 ist der Anschluß für die Steuerelektrode jedes Plättchens 1, 13 sind die Anschlüsse für die Heizwiderstandseinheiten der einzelnen Chips der Plättchen 1. Die einander identischen Heizwiderstände der Plättchen 1 sind hier als integrierte bidirektionale Leistungstransistoren ausgeführt und einander parallel­ geschaltet.

Selbstverständlich kann die Anschlußleiste 7 auch an jener Seite des Gehäuses 3 angeordnet werden, an welcher der Anschlußstutzen 4 bzw. der Auslaufstutzen 5 liegen.

Die Plättchen 1 der Chip-Heizwiderstände bieten außerordentlich günstige Möglichkeiten zur Gestaltung der im Chip selbst integrierten Überhitzungs- bzw. Überdruckschutzsysteme. So kann z. B. ein Kaltleiterwiderstand oder eine Schicht aus Piezoferroelektrikum im Chip integriert werden. Solche Schutzsysteme erfordern keinen zusätzlichen Raum und sind außerordentlich zuverlässig. In solchen Fällen muß lediglich der Mantel des Chips entsprechend ausgeführt werden. Weitere außerordentlich günstige Möglichkeiten zur Gestaltung trägheitsloser Schutzsysteme sind folgende: Man kann die Metallisierungsschichten der Steuerelektroden, wie z. B. Gates, der Mikrostruktur eines Chip-Heizwiderstandes aus einem Material fertigen, welches einen Phasenübergang Metall-Isolator oder Metall-Halbleiter bei einer vorbestimmten Maximaltemperatur und bzw. oder bei einem vorbestimmten Maximaldruck besitzt. Erreicht die Temperatur bzw. der Druck des zu erwärmenden Mediums diesen vorgegebenen maximalen Temperaturwert bzw. Druckwert, so wird die Leitfähigkeit der Metallisierungsschichten plötzlich um einige Größenordnungen verringert und der Chip wird gesperrt. Anstelle dessen bzw. in Ergänzung dazu können natürlich auch die Metallisierungsschichten der Leistungselektroden, wie z. B. Sources und Drains, der Mikrostruktur eines Chips in ähnlicher Weise gefertigt werden.

Man kann auch eine Kombination aus den beschriebenen Möglichkeiten ausnutzen. So können z. B. die Metallisierungsschichten der Leistungselektroden eines Chips einen temperaturabhängigen Phasenübergang besitzen, wogegen die Metallisierungsschichten seiner Steuerelektroden einen druckabhängigen Phasenübergang besitzen.

Die beschriebenen Überhitzungsschutzsysteme erfordern aber einen verschwindenden Temperaturgradienten im Raum, in welchem das Medium erhitzt wird. Daher ist es notwendig, eine gute Vermischung des Mediums im Innenraum des Gehäuses 3, in welchem das Medium erhitzt wird, sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist es günstig, das Medium in den Raum, in welchem es erhitzt wird, einzuspritzen. Die Stärke der Einspritzung bestimmt dann die Intensität der Mediumzirkulation. Zur Erzeugung einer ausreichend starken Einspritzwirkung können in der Mündung, mit welcher der Einlaßstutzen 4 in das Gehäuse 3 mündet, eine oder mehrere Düsen vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl als unter Druck stehendes als auch als druckloses Gerät ausgeführt sein. Im ersten Fall ist ein Absperrorgan zur Steuerung der Entnahme des erwärmten Mediums an der Entnahmeseite vorgesehen, im zweiten Fall befindet sich das Absperrorgan an der Zufuhrseite des zu erwärmenden Mediums.

Aus Sicherheitsgründen ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß die Heizelemente nur dann in Funktion sind, wenn die Durchflußgeschwindigkeit und die Entnahmemenge des Mediums pro Zeiteinheit einen vorbestimmten Wert überschreiten. Hierzu können verschiedene, teilweise bekannte Maßnahmen ergriffen werden. Am günstigsten wird ein solcher Schutz jedoch durch die beschriebenen Temperatur- und/oder Druckfühler erzielt.

Selbstverständlich ist es möglich, im Steuerkreis eine Einrichtung zur manuellen Einstellung einer gewünschten Maximaltemperatur sowie automatische oder manuelle Netzschalter und automatische oder manuelle Stufenumschalter, insbesondere für den Sommer/Winterbetrieb vorzusehen.

Zum Schutz der Kontakte des Netzschalters und jener des Stufenumschalters können alle Chips mittels des Steuerkreises kurz vor der Betätigung dieser Kontakte gesperrt und erst kurz nach erfolgter Betätigung dieser Kontakte wieder geöffnet werden.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften Verbindung mit einem Elektrodendurchlauf­ erhitzer zur Erzielung eines Hybrid-Gerätes dienen.

Natürlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für dreiphasiges Netz gebaut werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere Wasser, durch zumindest ein im Wege des Mediums angeordnetes elektrisches Heizelement und mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur des erwärmten Mediums, wobei das Heizelement (Plättchen 1) mindestens ein auf einem Halbleiterchip ausgebildetes steuerbares Halbleiterelement ist, dessen Steuerkreis (Anschluß 8) zur Temperaturregelung dient und jeder Halbleiterchip in Form einer ebenen Lamelle oder eines Plättchens (1) ausgebildet ist, deren Ebene parallel zur Strömungsrichtung des Mediums (Pfeil 9) liegt, und wobei im Steuerkreis des Halbleiterelements ein Temperaturfühler eingeschaltet ist, welcher bei vorgegebener Maximaltemperatur das Halbleiterelement elektrisch sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis anstelle des Temperaturfühlers oder zusätzlich dazu ein Druckfühler vorgesehen ist, welcher einen vorgegebenen Maximaldruck bzw. eine vorgegebene Minimaldurchflußgeschwindigkeit überwacht, wobei der Temperatur- und/oder Druckfühler in dem Halbleiterchip integriert ist, und daß die ebenen Lamellen oder Plättchen in einem Gehäuse (3) in mindestens einem Strömungskanal in Halterungen gehalten sind, wobei die Plättchen (1) oder Lamellen vom Medium beidseitig beaufschlagt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle von Längsnuten (10) im Mantel eines Trägerkörpers (2) gebildet sind, der in das Gehäuse (3) eingesetzt ist, wobei die Plättchen (1) oder Lamellen in den Längsnuten (10) mittig gehaltert sind (Fig. 1, 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen für die Plättchen (1) oder Lamellen von Vertiefungen (11, 12) des Bodens der Längsnut (10) und der inneren Oberfläche des Gehäuses (3) gebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (1) oder Lamellen in das Gehäuse (3) parallel zueinander und im Abstand voneinander eingesetzt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu erwärmende Medium in das die Heizelemente aufnehmende Gehäuse (3) mittels zumindest einer an der Zufuhrseite angeordneten Düse zwecks gleichmäßiger Verteilung und gegebenenfalls guter Vermischung im Gehäuse eingespritzt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsstruktur des Halbleiterchips bzw. der Halbleiterchips die Gesamtfläche der Lamelle bzw. des Plättchens (1) einnimmt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Halbleiterchip in einem Metallmantel eingeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckfühler angeordnet sind und durch eine Differentialschaltung der Druckfühler ein Druckdifferenzfühler gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler bzw. Druckdifferenzfühler eine im wesentlichen lineare Kennlinie zur Steuerung der Heizleistung aufweisen, so daß bei einer höheren Durchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden Mediums die Heizleistung vergrößert wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Halbleiterchips an jenen Stellen, wo ein Druckfühler integriert ist, eine Öffnung zur unmittelbaren Druckaufnahme durch den Druckfühler aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen durch eine elastische, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisende Abdeckung dicht verschlossen sind.