DE60118378T2

DE60118378T2 - Rohrförmiges heizelement

Info

Publication number: DE60118378T2
Application number: DE60118378T
Authority: DE
Inventors: Fausto Fioroni
Original assignee: Thermowatt SpA
Current assignee: Thermowatt SpA
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: DE60118378D1; HK1056768A1; ES2261423T3; EP1290381B1; CN1232781C; ITMO20000122A1; WO2001094861A1; CN1434915A; ATE321985T1; AU2001267519A1; IT1315636B1; EP1290381A1; DK1290381T3

Description

Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Heizelement zur Verwendung insbesondere bei Boilern zu sanitären Zwecken.
Stand der Technik
Die gegenwärtig in den zuvor erwähnten Boilern verwendeten Heizvorrichtungen sind im Allgemeinen die sog. „armierten bzw. geschützten elektrischen Widerstände". Diese sind gebildet aus einem elektrischen Widerstandsheizdraht, der eingetaucht ist in ein chemisch inertes, elektrisch isolierendes Pulver, das wiederum in ein hermetisch abgedichtetes Metallrohr gedrückt ist.
Die optimale thermische Energie, die abgebbar ist pro Oberflächeneinheit (normalerweise die „Wärmebelastung" genannt) ist üblicherweise etwa 8,5 W/cm² für Boilerwiderstände.
Es ist praktisch unmöglich, die Wärmebelastung mit dem/entlang des Widerstand(s) zu verändern. Damit die Energie hauptsächlich in den erforderlichen Bereichen abgegeben wird, ist es notwendig, den Widerstand selbst entweder in Schleifen oder zu einer Spirale zu biegen.
In Bezug auf die Akkumulations- bzw. Speichergeräte, in denen diese Widerstände verwendet werden, ist es wichtig, eine Unterscheidung zu treffen zwischen den unterschiedlichen Arten von Geräten, d.h. elektrische Akkumulationswasserheizgeräte bzw. Speicherheizungen, die sog. elektrischen Speicherheizer von der Art „unter dem Ausgußbecken" und schnellwirkende, elektrische Speicher-Boiler.
Elektrische Speicherheizer sind allgemein gekennzeichnet durch einen Flansch, an dem einer oder mehrere elektrische Widerstände montiert sind, eine Thermostatummantelung, die einen oder mehrere Temperatursensoren beinhaltet und möglicherweise eine Vorrichtung gegen die Korrosion, bestehend aus einer Magnesiumanode oder einer schützenden Kathodenelektrodenvorrichtung. Das Einlaßrohr, das sehr kurz ist, dringt gerade in den Behälter bzw. Tank ein und das Rohr gibt das Kaltwasser in den Boden des Behälters ab. Das Auslaßrohr verläuft durch den gesamten Behälter, um das Heißwasser aus dem höchstgelegenen Teil zu entnehmen bzw. abzuziehen.
Die minimal vorliegende Energie bei dieser Art Boiler liegt bei etwa 1200/1500 W.
Die sogenannten elektrischen Speicherheizer vom Typ „unter dem Ausgußbecken" sind kleine Boiler, die im Inneren der Ausgußbeckeneinheit angeordnet sind. Um die Anbringung an der Abgriffseinheit zu erleichtern, sind diese Boiler umgedreht montiert und folglich derart, daß das Kaltwasser in den unteren Teil eingeführt wird und das Heißwasser von dem oberen Teil entnommen wird, wobei das Rohr, das normalerweise als Einlaßrohr wirkt, dann an dem Ausgang angebracht wird und umgekehrt.
Die schnell wirkenden bzw. schnell ansprechenden Elektroboiler haben eine im Vergleich zu Speicherheizern ähnlichen Aufbau, mit Ausnahme dessen, daß sie einen kleineren Behälter haben können, um der Funktion gerecht zu werden, die sie erfüllen sollen, und sie ein höheres Niveau an vorliegender Energie haben und aus Sicherheitsgründen sind sie oftmals von der sogenannten „frei abgebenden" Art, d.h. das sich in dem Behälter befindliche Wasser befindet sich auf Raumdruck.
Die zuvor erwähnten, armierten Widerstände haben einige Nachteile, von denen einer der komplexe Herstellprozeß ist.
Ein weiterer Nachteil dieser Art allgemein bekannten Widerstands entsteht durch die Verteilung der thermischen Energie, die erzielt wird über einen schleifenförmigen oder spiralförmigen Widerstand; alle Formen erfordern teures, spezielles Equipment.
Noch weitere Nachteile bestehen in dem Vorliegen eines neutralen Bereichs am Ende des Widerstands, von dem aus keine Wärme abgestrahlt werden kann aufgrund der Tendenz zu einer kalkhaltigen Ablagerung, die zu einem Überheizen führt, weil das Wasser in diesem Bereich kocht (unter Lärm) und einem Brechen, wie auch dem Erfordernis für große Öffnungen zum Zwecke des Einführens der schwer handhabbaren Formen des schleifenförmigen oder spiralförmigen Widerstands in den Boiler.
Überdies bestehen die Nachteile der gegenwärtigen elektrischen Speicherheizer in der Notwendigkeit für einen Flansch als Dichtelement und einen Träger für wenigstens einen oder mehrere Widerstände, eine Ummantelung für eine oder mehrere Thermostatsonden und möglicherweise eine Magnesiumanode oder ein Schutzsystem mit Kathodenelektrode.
Ein weiterer Nachteile dieser Art von Boiler besteht darin, daß das Wasser mindestens bei Verbrauchstemperatur gespeichert werden muß, normalerweise jedoch bei viel höheren Temperaturen als bei den schnell wirkenden Boilern oder sogar höher als bei den Instantboilern, mit einem niedrigeren Niveau vorliegender Energie, jedoch mit größeren Wärmeverlusten und einer schnelleren Ausbildung von kalkhaltigen Ablagerungen, wobei diese Letzteren eine Auswirkung auf die Korrosion haben.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß es ohne Verwendung eines kompliziert ausgebildeten Widerstands unmöglich wird, einen wesentlichen Anteil an thermischer Energie in dem unteren Teil des Behälters zu konzentrieren, um gleichförmigere Temperaturen mit geringeren Wärmeverlusten zu garantieren unter Aufrechterhaltung der Durchschnittstemperatur ohne Änderung.
Ein noch weiterer Nachteil besteht in der Tatsache, daß es mit den armierten elektrischen Widerständen unmöglich ist, das Wasser noch einmal abschließend aufzuheizen, wenn es von der Vorrichtung entnommen wird.
In Bezug auf die schnellwirkenden bzw. -ansprechenden Elektroboiler oder die gegenwärtigen Instantboiler bzw. Schnellkocher, bestehen deren wichtigste Nachteile in dem Erfordernis, daß größere elektrische Widerstände verwendet werden müssen als die, wie sie in den Speicherheizern verwendet werden, was folglich größere Flansche erfordert.
Bevor die Ziele dieser Erfindung wiedergegeben werden, sowie eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und einiger möglicher Varianten erfolgt, ist es wert, die wesentlichen Eigenschaften der Technik des Aufbaus eines elektrischen Widerstands zu erwähnen, die, obwohl sie eine bekannte Technik ist, immer noch kaum Verwendung findet.
Diese Widerstände sind gebildet aus einem metallischen Trägermaterial, im allgemeinen AISI 430 Stahl, das fähig ist, die abgegebene thermische Energie auszubreiten und die Adhäsion der darüberliegenden Schichten zu garantieren, selbst wenn eine Wärmeexpansion auftritt.
Folgendes wird nach und nach auf diesem metallischen Trägermaterial aufgetragen:

– eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material;
– eine gedruckte elektrische Schaltung, hergestellt durch Auftragen einer speziellen Widerstandspaste über eine geeignete Drucktechnik, wie beispielsweise eine Siebdrucktechnik;
– eine weitere Schicht oder Schichten aus dielektrischem Material.

Hier im Folgenden wird der Begriff "gedruckter Widerstand" dazu verwendet, um die gesamte Einheit anzugeben, bestehend aus der tatsächlich gedruckten Schaltung und den Schichten aus dielektrischem Material darunter und darüber, ob nun die Schaltung unter Verwendung einer Siebdrucktechnik oder jeglicher anderer Schaltungsdrucktechnik hergestellt wurde.
Die mit den bedruckten Widerständen erzielbaren Wärmebelastungen hängen offensichtlich von der Kapazität in Bezug auf die Wärmeausschaltung ab; da jedoch keine speziellen Erhöhungen der Kosten für die Herstellung in Bezug auf geringe Wärmebelastungen bei denen im allgemeinen in dem Sektor Verwendeten bestehen, können diese immer noch sehr hoch sein (mindestens 18–20 W/cm²). Wie auch beim Heizen von Flüssigkeit, können die gedruckten Widerstände auch trocken funktionieren, da sie bis zu 700°C in der Luft widerstehen können (250°C bei den Schweißpunkten an den elektrischen Anschlüssen).
Die darauffolgenden Schichten können auch auf gekrümmten Oberflächen angeordnet werden.
Die Zuführkabel sind elektrisch mit den gedruckten Widerstandsschaltungen am Ende der gedruckten Schaltung verbunden durch Anschweißen an zwei Stellen, die in beabsichtigter Weise nicht durch die zweite Gruppe an Schichten aus dielektrischem Material abgedeckt sind.
Das Dokument GB-A 9324014 offenbart einen Wärmetauscher mit einem zylindrischen Metallrohr und einem Einsatz, um einen spiralförmigen Weg für das Wasser zu definieren und das Rohr hat ein Heizelement in Form einer ohmschen und leitenden Bahn.
Offenbarung der Erfindung
Ein erstes Ziel dieser Erfindung bei einer Vorrichtung zum Heizen von Wasser wie beispielsweise einem elektrischen Boiler, bei dem es notwendig ist, ein elektrisches Widerstandsmittel zum Heizen des Wassers und möglicherweise Mittel zum Prüfen der Temperatur des Wassers und/oder möglicherweise elektrochemische Mittel zum Verhindern einer Korrosion vorzusehen, besteht in der Reduzierung der Bauteile, die erforderlich sind zur Realisierung der zuvor erwähnten Mittel.
Ein zweites Ziel besteht in der Vereinfachung des Aufbaus eines oder mehrerer der zuvor erwähnten Heiz-, Temperaturprüfungs- und Korrosionsverhinderungsmittel.
Ein drittes Ziel besteht in der Vereinfachung der Anbringung eines oder mehrerer der zuvor erwähnten Mittel an einer Vorrichtung zum Heizen bzw. Erwärmen von Wasser.
Ein viertes Ziel besteht in der Einschränkung der kalkartigen Ablagerungen, die sich an den zuvor erwähnten Heizmitteln ausbilden.
Ein fünftes Ziel besteht in der Möglichkeit des Ausschaltens des Trageflansches von einem oder mehreren der zuvor erwähnten Mittel.
Ein weiteres Ziel besteht in der Möglichkeit der besseren Verteilung der von den zuvor erwähnten Heizmitteln abgestrahlten thermischen Energie.
Ein noch weiteres Ziel für einen Speicherheizer besteht in der Möglichkeit, daß Wasser vollständig zum Zeitpunkt der Entnahme erwärmt wird unter Verwendung der gleiche Heizmittel, die das gespeicherte Wasser erwärmen.
Ein noch weiteres und abschließendes Ziel besteht in der Reduzierung der Herstellkosten.
Die Erreichung dieser und anderer Ziele ist möglich dank einer originalen Verwendung der allgemein bekannten Technik bei der Anbringung von gedruckten Widerständen an einem Metallträger.
Tatsächlich betrifft der Gegenstand der Erfindung insbesondere Heizgeräte für Wasser für sanitäre Zwecke, ein Heizelement, bestehend aus einem rohrförmigen Element zur Wasserleitung (zumindest für sanitäre Zwecke) und an dessen äußeren und/oder inneren Oberflächen ein oder mehrere Widerstände angeordnet bzw. aufgetragen sind, der/die auf oben bestimmte Weise gedruckt wurde(n).
1 ist eine Schnittzeichnung eines Heizelements gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, verwendet im Inneren eines Heißwasserspeicherbehälters;
2 ist eine Gesamtansicht des Heizelement gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorhergehenden Figur;
3 ist eine Schnittzeichnung entlang der Hauptachse derselben in der vorhergehenden Figur gezeigten Elemente mit einer möglichen Variante der Erfindung;
4 ist eine vergrößerte Schnittzeichnung eines allgemeinen Heizelements unter rechten Winkeln zu der Hauptachse;
5 ist eine schematische Ansicht einer möglichen Variante der in 2 und 3 gezeigten Erfindung unter Darstellung des Stroms von Wasser im Inneren des Heizelements während der Phase des Heizens des Wassers und während der Phase der Entnahme;
6 ist eine schematische Ansicht einer noch weiteren möglichen Variante zu dem, was in 2 gezeigt ist;
7 zeigt extrem schematisch einen schnell wirkenden Speicherboiler unter Verwendung von Heizelementen gemäß einer Variante dieser Erfindung;
Es folgt nun eine Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Heizelements gemäß der Erfindung, das besonders vorteilhaft in einem Speicherheizer Verwendung finden kann.
Bezugnehmend auf 1 ist dort ein Heizelement 1 gemäß der Erfindung im Inneren des Behälters 2 eines Akkumulationswasserheizgeräts bzw. Speicherheizers gezeigt. In dem als Beispiel vorgegebenen Fall, ist das Heizelement 1 das Heißwasserauslaßrohr von dem Behälter 2. Wie in den 1–3 gezeigt, besteht das Heizelement 1 aus einem Stück Rohr 3, das aus jeglichem Material hergestellt ist, das kompatibel zu der Technologie der gedruckten Widerstände ist, sowie in Bezug auf die chemischen, physikalischen und mechanischen Belastungen, denen das Rohr 3 unterworfen wird, beispielsweise AISI 430 Stahl; einem gedruckten Widerstand 4 und schlußendlich einer Kupplungsmuffe 5. Zu Zwecken der Klarheit wird lediglich der tatsächliche Teil der gedruckten Schaltung des gedruckten Widerstands 4 hervorgehoben, obgleich dieser tatsächlich durch die Schichten aus dielektrischem Material über ihm und unter ihm verborgen wird, die zusammen mit der zuvor erwähnten gedruckten Schaltung die vorher definierten, gedruckten Widerstände bilden. Die Öffnungen 10 und 11 in dem unteren Teil und dem oberen Teil des Rohrs 3 sind ebenfalls gezeigt.
Die Kupplungsmuffe 5 ist mit geeigneten Anschlußmitteln 6 und 7, beispielsweise mit Gewinde versehenen Durchführungen, ausgestattet, um jeweils die Kupplung 5 mit dem Behälter 2 mit Hilfe einer an dem Behälter 2 selbst angeschweißten Ringmutter 8 zu befestigen und auch an dem Heißwasserverteilungssystem (nicht gezeigt). Die Kupplung 5 ist auch mit geeigneten Steckverbindungen 9 für die elektrische Versorgung des gedruckten Widerstands 4 ausgestattet, wobei die Steckverbindungen 9 elektrisch mit dem gedruckten Widerstand 4 verbunden und gegenüber den verbleibenden Elementen elektrisch auf allgemein bekannte Weise, die nicht in der Figur gezeigt ist, isoliert sind.
Zusätzlich zu den schon identifizierten Elementen, ist in 3 eine Öffnung 11b mit einem Ableiter 12 in dem oberen Teil des Rohrs 3, nahe dessen Einlaß 3a, gezeigt.
In 4 gibt es (in Bezug auf das Heizelement 1 von innen nach außen): eine mögliche Schicht aus Material 14, auf der es für kalkartige Stoffe schwierig wird, Ablagerungen auszubilden, wie beispielsweise Polypropylen; das Rohr 3, auf dem der darauffolgende, gedruckte Widerstand 4 angeordnet wird, wobei der gedruckte Widerstand 4 aus einer oder mehreren Schichten aus dielektrischem Material gebildet ist, die an der Basis des durch das Rohr 3 gebildeten Trägers verankert sind; die tatsächliche gedruckte Widerstandsschaltung und eine oder mehrere äußere Schichten aus einem dielektrischem Material. Als letztes gezeigt ist eine mögliche Ummantelung 15, die so ausgestaltet ist, daß sie den gedruckten Widerstand 4 gegenüber einem Abrieb schützt.
5, die eine mögliche Variante der wie in 3 gezeigten Erfindung darstellt, zeigt über Pfeile die Zirkulationsrichtung, die das Wasser während der beiden Funktionsmoden eines Speicherheizers annehmen wird. Spezieller, ist links die Zirkulation ausgelöst durch konvektive Bewegungen während der Phase des Aufheizens unter Verwendung des Heizelements 1 und rechts die Richtung während der Phase, während der das Heißwasser entnommen wird. Die Öffnungen 10.a, die mit nach innen gerichteten Ableitern 12 versehen sind, bilden eine Variante der Öffnungen 10.
6 zeigt eine mögliche Variante der 5, bei welcher die Öffnungen 10.b in dem Rohr 3 an einer Stelle mit Querschnittserweiterungen 13 erstellt sind.
7 zeigt an einem kleinen Behälter 2.1 montierte Elemente, die schon in den vorhergehenden Figuren gezeigt wurden: Die Pfeile geben den Einlaß und Auslaß für die Wasserströmungsrichtungen an; obgleich nicht in der Figur gezeigt, kann auch der Tank 2.1 in gleicher Weise wie das Rohr 3 in den vorhergehenden Figuren und zumindest für seinen gesamten zylindrischen Teil, den Träger für einen gedruckten Widerstand 4.1 bilden, vollständig identisch zu dem gedruckten Widerstand 4. Die anderen angegebenen Elemente sind identisch oder äquivalent zu den in den vorhergehenden Figuren Gezeigten. Daher ist der in der Figur gezeigte, schnell wirkende bzw. – ansprechende Boiler mit wenigstens zwei gedruckten Widerständen versehen: dem zuvor erwähnten gedruckten Widerstand 4.1 und dem gedruckten Widerstand 4, dessen Trägerelement aus einem Stück Rohr 3 von der Art eines Heißwasserausgangs, gebildet ist.
Es folgt nun eine detaillierte Beschreibung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Heizelements 1.
Als erstes ist es offensichtlich, daß die Energieversorgung des elektrischen Widerstands 4 zur Aufheizung des in dem Speicherbehälter 2 gespeicherten Wassers auf ähnliche Weise erfolgt, wie bei den schon im Gebrauch befindlichen, armierten elektrischen Widerständen, wobei jedoch spezielle Merkmale und Vorteile bestehen, die nun herausgehoben werden.
Der gedruckte Widerstand 4 wurde in der Figur gleich gezeichnet, unabhängig, ob er durch Reibung gebildet wurde oder als um das Rohr 3 gewundene Spirale. Tatsächlich könnte dieser jeglichen Verlauf bzw. jegliche Bahn haben, der/die sich nicht selbst schneidet, wobei der Verlauf sogar unregelmäßig sein kann, um die Wärmebelastung entlang der Länge des Heizelements in der geeignetsten Weise zu verändern. Dies könnte beispielsweise ein Doppelspiralenverlauf mit einem konstanten Gang sein, der an dem Paar Steckverbindungen 9 beginnt und endet oder eine Doppelspirale mit veränderlichem Gang.
Es können mehrere angrenzende, gedruckte Widerstände 4 auf der gleichen isolierenden Schicht gedruckt sein, wobei jeder dieser Widerstände in einem jeweiligen Paar Steckverbindungen 9 endet, mit der Absicht, ein Modulieren der thermischen, abgestrahlten Energie zu ermöglichen durch Einsetzen eines oder mehrerer der gedruckten Widerstände 4. Es können auch mehrere übereinanderliegende, gedruckte Widerstände vorliegen, die durch gleich viele isolierende Schichten isoliert werden, wobei jeder dieser Widerstände in einem jeweiligen Paar Steckverbindungen 9 endet.
Diese Eigenschaften ermöglichen es, die Verteilung der von den gedruckten Widerständen 4 erzeugten thermischen Energie in die Bereiche zu verteilen, wo sie am nützlichsten ist: Für Speicherheizer ist dies im allgemeinen der untere Teil. Falls mehrere gedruckte Widerstände 4 erforderlich sind, wird dies zudem nicht die Gesamtabmessungen wesentlich erhöhen aufgrund der zuvor erwähnten Möglichkeit der Erzeugung angrenzender Verläufe für die gedruckten Widerstände 4 oder durch deren Überlagerung, solange eine Schicht aus isolierendem Material zwischen jedem derartigen Verlauf angeordnet wird.
Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist die Tatsache, daß unter Verwendung der gleichen Technologie und zur gleichen Zeit, wenn die gedruckten Widerstände 4 gedruckt werden, elektrische Schaltungen gedruckt werden können, um verschiedene elektrische oder elektronische Bauteile elektrisch mit dem äußeren des Behälters zu verbinden. Diese Bauteile können nützlich sein, wenn sie entlang des Heizelements angebracht sind, wobei das Heizelement als Träger für die Bauteile wirkt. Die Bauteile sind in einer allgemein bekannten Weise an einem Ende der gedruckten elektrischen Schaltungen angeschweißt und zwar in der geeignetsten Position entlang des Heizelements und elektrisch gegenüber der umgebenden Umgebung isoliert; das andere Ende der Schaltungen endet mit geeigneten elektrischen Verbindungsvorrichtungen an der Stelle der Kupplungsmuffe. Die Bauteile können beispielsweise Temperatursensoren (z.B. NTCs) sein, die an entsprechenden elektronischen Thermostaten angeschlossen werden sollen; unipolare Sicherheitsthermostate von der bimetallischen, laminaren Art oder jene mit einer Sicherung oder von einer anderen Art (die von der Größe her sehr klein sind) und in diesem Falle können sie direkt in Reihe zu dem zu überwachenden Widerstand angeschweißt werden. Schließlich können diese Bauteile Kathodenvorrichtungen zum Schutz gegen Korrosion sein.
Die Temperatursensoren können auch aus einer gedruckten Widerstandsbahn gebildet sein, mit einer Stärke des Widerstands, die genügend abhängig ist von der zu messenden Temperatur. Zu diesem Zweck kann der Verlauf des gedruckten Sensors aus einer Bahn gebildet sein, die lang genug ist, um den Gesamtwiderstand zu erhöhen und dadurch die Messung des Widerstands als Funktion der Temperaturänderung vereinfacht.
Es folgt nun eine Beschreibung einiger Details oder Aufbauvarianten des erfindungsgemäßen Heizelements 1.
Während der Phase des Aufheizens bzw. Erwärmens des Wassers in dem Behälter 2 eines Speicherheizers, kann es notwendig werden, die Zirkulation des Wassers im Inneren des Rohrs 3 anzuregen, um zu verhindern, daß das Wasser im Inneren dieses letzteren zu faulen bzw. stehen beginnt und die Temperatur erhöht, was dazu führt, daß die Abscheidungen an Kalkklumpen sich extrem schnell ausbilden und auch das Wasser in diesem Bereich zu kochen beginnt. Falls der Nutzer das Wasser zu diesem Zeitpunkt entnimmt, kann dieses letztere Phänomen dazu führen, daß der Nutzer sich verbrüht. Wie in den 1 und 3 gezeigt, ist es dann möglich, Öffnungen 10 in dem unteren Teil und dem Rohr 3 zu erzeugen. Wie in den 5 und 6 gezeigt, erlaubt dies eine durchgehende natürliche Zirkulation im Inneren des Rohrs 3 während des Phase des Aufheizens. Wenn das Heißwasser entnommen ist, mag es auch vorteilhaft sein, einen Strudel an Kaltwasser aus dem unteren Teil des Boilers durch diese Öffnungen zu verhindern. Obgleich in den häufigsten Anwendungen der Erfindung wiedergegeben wurde, daß eine oder mehrere Öffnungen 10, bestehend aus 4 mm-Löchern, ausreichend sind, um die Rezirkulation ohne den Kaltwasserstrudel zu garantieren, wenn das Wasser dem Behälter entnommen wird, ist es immer noch möglich, andere geeignete Ausgestaltungen vorzusehen: Beispielsweise sind in 5 die Öffnungen 10.a mit geeigneten Ableitern 12 versehen und in 6 sind die Öffnungen 10.b an der Stelle geeigneter Querschnittserweiterungen 13, die aufgrund des Venturi-Effekts eine lokale Druckzunahme bewirken und einen Eintritt des Kaltwassers verhindern. Bei gewissen Ausführungsbeispielen jedoch, kann der Durchmesser des Heizelements 1 weit genug gemacht werden, um eine ausreichend aktive natürliche Zirkulation in seinem Inneren zu ermöglichen, ohne daß irgendwelche Öffnungen 10 notwendig wären. Im Gegensatz dazu, ist bei anderen Ausführungsbeispielen die Geschwindigkeit des Wassers, wenn es dem Behälter entnommen wird, hoch genug oder ausreichend häufig, um eine konstante Auswaschung sicherzustellen und so Abscheidungen von Kalkresten zu verhindern oder zu entfernen. Zu diesem Zweck kann es wie in 4 gezeigt, vorteilhaft sein, eine Schicht aus nicht haftendem Material 14 für den Kalkrest im Rohr 3 vorzusehen, wie beispielsweise Polypropylen.
Immer noch während der Phase des Aufheizens des im Inneren des Behälters 2 befindlichen Wassers, kann es vorteilhaft sein, sicherzustellen, daß das durch natürliche Zirkulation im Inneren des Rohrs 3 ansteigende Wasser nicht vollständig an dem Ende 3.a abgegeben wird, wo bekanntermaßen oftmals eine Luftblase entsteht, welche die Zirkulation stören kann. Aus diesem Grunde kann das Wasser immer noch durch die Öffnungen 11 in 1 oder 11.b in 3 austreten.
Bei gewissen Anwendungen kann es wertvoll sein, wenn für die äußerste Schicht an den gedruckten Widerstand 4 bildendem isolierenden Material eine äußere abriebfeste Umhüllung vorgesehen wird. Diese kann wie in 4 über eine schützende Ummantelung 15 erzeugt werden, die aus einem geeigneten Material hergestellt ist, aber es könnte auch nützlich sein, wenn diese schützende Ummantelung 15 aus einem Material hergestellt ist, das so wie eine Elektrode für den kathodischen Schutz wirkt, wie dies vollständig in einem gleichzeitig von demselben Anmelder eingereichten anderen Patent beschrieben wird. Alternativ, kann die schützende Ummantelung 15 aus einem metallischen, rohrförmigen Opfer- bzw. Schutzelement gebildet sein, um das Gerät gegenüber einer Korrosion zu schützen (im allgemeinen eine Magnesiumanode). Mit allen allgemein bekannten Mitteln oder zuvor beschriebenen Mitteln, sind die Elektrode oder die Anode in geeigneter Weise elektrisch mit dem zu schützenden Metallbehälter verbunden.
Bezugnehmend auf 1, läßt das Heizelement 1 die Funktion zu, flexibel zu sein, was mit den allgemein bekannten, armierten elektrischen Widerständen unmöglich ist. Um eine große Reserve zu haben, hält ein Boiler im allgemeinen das Wasser bei 70–75°C, während die Verbrauchstemperatur im allgemeinen 40°C ist. Ist wenig Wasser erforderlich und wünscht der Nutzer eine Begrenzung des Wärmeverlusts, so kann die Speichertemperatur auf die Verbrauchertemperatur abgesenkt werden, jedoch niemals darunter. Mit dem Heizelement 1 kann das Wasser auf einer geringfügig niedrigeren Temperatur als die Verbrauchstemperatur gehalten sein und es kann während der Phase der Entnahme weder erhitzt werden unter Aktivierung des gedruckten Widerstands 4. Zu diesem Zweck ist es notwendig, daß der elektrische Widerstand 4 über einen Thermostaten während der Phase des Akkumulierens bzw. Speicherns betätigt wird und durch eine Durchflußsensoreinheit bzw. Flußsensoreinheit wie beispielsweise einen Drucksensor oder einen Flußsensor während der Phase der Wasserentnahme.
In 1 ist das erfindungsgemäße Heizelement 1 als Rohr gezeigt zur Entnahme bzw. zum Abziehen des Heißwassers aus einem Akkumulationswasserheizgerät bzw. Speicherheizer, jedoch kann dies alternativ die Form eines Einlaßrohrs annehmen, wie im Falle des "unter dem Ausgußbecken"-Boilers oder sowohl das Einlaßrohr sich in geeigneter Weise ins Innere des Behälters erstrecken und das Auslaßrohr für eine bessere Verteilung der thermischen Energie in den geeignetsten Bereichen.
Anstelle dessen zeigt 7 einen schnell wirkenden bzw. ansprechenden Boiler, der mit wenigstens zwei gedruckten Widerständen versehen ist, die physisch voneinander getrennt sind. Der erste Widerstand, der mit dem Bezugszeichen 4.1 angegeben ist und von dem Behälter 2.1 gehalten wird, kann das gespeicherte Wasser auf einer vorbestimmten Temperatur halten, die über einen geeigneten Thermostaten geregelt wird. Der zweite, mit dem Bezugszeichen 4 angegebene und durch das Auslaßrohr 3 getragene, kann auch das Wasser während der Phase der Entnahme erwärmen und wird geregelt über einen geeigneten Durchflußsensor wie beispielsweise einen Druckschalter oder einen Flußsensor.
Natürlich kann immer noch unter Bezugnahme auf 7 ein einzelnes Heizelement 1, das das Auslaßrohr bildet, sowohl die Funktion des Vorheizens während der Phase des Speicherns und die Funktion des endgültigen Heizens während der Phase der Entnahme, durchführen, solange das Heizelement 1 die in der Figur gezeigten Öffnungen 11 hat.
Falls erforderlich, kann der gedruckte Widerstand 4 oder 4.1 an der inneren Oberfläche des Heizelements 1 angeordnet werden und das Heizelement 1 kann unterschiedlich geformte Abschnitte (d.h. nicht kreisförmig) haben oder gekrümmt oder konvex sein, selbstverständlich innerhalb der Grenzen der durch die herkömmlich bekannte Widerstanddrucktechnik zugelassenen Formen.
Ein erster Vorteil des Heizelements 1 besteht darin, daß bei einem Speicherheizer der Flansch eliminiert werden kann durch einfaches Vorsehen des folgenden: einer mit Gewinde versehenen Ringmutter zur Befestigung des Heizelements, einer angeschweißten oder angeschraubten Ummantelung zum Einführen der Thermostatsensoren und/oder der dem Schutz gegen Korrosion dienenden Kathodenelektrode und/oder einer mit Gewinde versehenen Ringmutter zum Einführen einer Magnesiumanode oder einer Elektrode. Es wurde auch gezeigt, daß das Heizelement 1 ebenfalls zusammen die Sensoreinheiten, Sicherheitsthermostaten und dem Korrosionsschutz dienenden Elektroden oder Schutzanoden bzw. Fremdstromanoden tragen kann. Daher ist es bei einigen Varianten möglich, nicht nur den Flansch zu eliminieren, sondern auch das andere Loch in dem Behälter 2, mit Ausnahme des Lochs, das erforderlich ist für das erfindungsgemäße Heizelement.
Bei Speicherheizern kann die vorliegende Erfindung auch eine wesentliche Reduzierung des Wärmeverlusts und der Ausbildungen von Kalkablagerungen in dem Behälter 2 ermöglichen.
Im Rahmen eines Beispiels wird ein Speicherheizer mit einer Energie von 1500 W betrachtet.
Für eine Dusche ist ein Strom bzw. Durchfluß von 0,07 Liter/sek erforderlich. Bei dieser Geschwindigkeit und wenn der Widerstand während der Phase der Entnahme aktiviert ist, erzielt in der Praxis der Widerstand nur eine Wärme für das Wasser, das durch das Element läuft, da der Wärmeaustausch viel aktiver ist als an der Außenseite, wo das Wasser nicht strömt. Die Folge ist, daß die Temperatur des entnommenen Wassers sich um etwa 5°C erhöht und erlaubt, daß das Wasser bei 35°C gehalten wird, falls die erforderliche Verbrauchstemperatur 40°C ist.
Falls die Zimmertemperatur 20°C ist, führt dies zu einem Wärmeverlust von 25% (thermischer Kopf: 35–20 = 15°C, eher als 40–20 = 20°C).
Wird das Wasser auf einer niederen Temperatur gehalten, so bilden sich weniger Kalkteilchenablagerungen.
Dieser Vorteil vergrößert sich für den schnell wirkenden Boiler, d.h. jene mit einem höheren Energieniveau, wie in 7 gezeigt.
Im allgemeinen ermöglicht es das erfindungsgemäße Heizelement, einen schnell wirkenden bzw. schnell ansprechenden Speicherheizer herzustellen, bei dem das gleiche Heizelement das gespeicherte Wasser vorheizen kann auf die Speichertemperaturen, die niedriger sind als jene, die erforderlich sind und dann die Phase des Heizens zum Zeitpunkt des Gebrauchs abgeschlossen wird.
Ein elektrischer Widerstand der armierten Art für Boiler hat üblicherweise eine wie zuvor erwähnte Wärmebelastung von 8,5 W/cm² und er ist einer raschen Ausbildung von kalkartigen Abscheidungen unterworfen, die sich in direktem Verhältnis zu der Wärmebelastung erhöhen. Ein Auslaßrohr des Boilers hat im allgemeinen einen Durchmesser von ½'' (d.h. 21 mm): angenommen die Länge ist 600 mm und die vorliegende bzw. eingestellte Energie 1500 W, so hat das Heizelement 1 eine Wärmebelastung von weniger als 4 W/cm², also weniger als die Hälfte des armierten Widerstands und es ist möglich, die Wärmebelastung weiter zu reduzieren durch Vergrößerung des Rohrdurchmessers und seiner Oberfläche, während die Oberfläche des Verlauf bzw. der Bahn des gedruckten Widerstands unverändert beibehalten bleibt, ohne daß eine wesentliche Erhöhung der Kosten entsteht.

Claims

Rohrförmiger Widerstand (1), insbesondere für Heizgeräte für Wasser für sanitäre Zwecke in Akkumulationwasserheizgeräten, unter Verwendung einer Technik, bei der ein gedruckter Widerstand an einer Oberfläche aus Metall angebracht wird, wobei dieser gedruckte Widerstand aus einer oder mehreren Schichten eines dielektrischen Materials besteht, das auf der Oberfläche aus Metall angebracht wird, auf der, zum Beispiel unter Verwendung einer Siebdrucktechnik, einer oder mehreren elektrischen Widerstandsschaltungen aufgedruckt sind, an die wiederum eine oder mehrere Schichten eines dielektrischen Materials angebracht werden, wobei dieser Widerstand (1) aus zumindest einem gedruckten Widerstand (4, 4.1) besteht, der auf der gesamten oder einem Teil der Außen- oder Innenfläche des Rohrs (3) angebracht ist, wobei dieses Rohr einen Querschnitt aufweist, der es dem für sanitäre Zwecke verwendeten Wasser zumindest gestattet, es zu durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer dieser gedruckten Widerstände während der Phase der Akkumulation des Wassers im Behälter (2, 2.1) an ein Thermostat sowie während der Phase der Wasserzufuhr an einen Flusssensor angeschlossen ist.
Widerstand (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von mehreren unabhängigen elektrischen Widerstandsschaltung am gleichen Widerstand können diese elektrischen Widerstandsschaltungen auf verschiedenen Schichten positioniert werden, die jeweils von den anderen Schichten durch eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material getrennt werden.
Widerstand (1) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Anschlussvorrichtungen (6) an einen Tank (2, 2.1) und mit Anschlussvorrichtungen (7) an das Wasserleitungssystem angeschlossen ist, wobei diese Anschlussvorrichtungen zumindest eine Kupplungsmuffe (5, 5.1) aufweisen, wobei diese Kupplungsmuffe Steckverbindungen (9) für die elektrische Speisung von zumindest einem gedruckten Widerstand (4, 4.1) aufweist.
Widerstand (1) gemäß den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verläufe der elektrischen Widerstandsschaltungen der gedruckten Widerstände (4, 4.1) eine beliebige regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen können, wobei diese Form dazu geeignet ist, die Wärmeleistung wie verlangt gleichförmig oder nicht auf das Rohr (3) zu übertragen.
Widerstand (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er vorteilhaft eine äußere abriebfeste Mantelung (15) für die äußere Schicht aus Isoliermaterial aufweisen kann, aus der der gedruckte Widerstand (4) besteht, wobei diese Schutzmantelung zum Schutz des Tanks (2, 2.1) gegen Korrosionsphänomene dient; diese Schutzmantelung kann vorteilhaft aus einer Elektrode in Form einer gedruckten Kathodenstromschutzvorrichtung bestehen, zum Beispiel aus Titanlegierung, oder in Form einer Fremdstromanode, zum Beispiel aus Magnesiumlegierung; die elektrische Anschlüsse dieses Elements haben den Zweck, den Tank gegen Korrosion zu schützen und können vollständig oder teilweise unter Verwendung der Technik des gedruckten Widerstands realisiert werden.
Widerstand (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Öffnungen (10, 10a, 10b) am Teil des Rohres (3) die Außenfläche und die Innenfläche dieses Rohres verbinden, wobei diese Öffnungen die natürliche Zirkulation des Wassers innerhalb des Rohres während der Phase der Erwärmung ermöglichen.
Widerstand (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Öffnungen (10a) Ableiter (12) aufweisen, die das Eintreten von kaltem Wasser in das Rohr (3) verhindern können.
Widerstand (1, 1.1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Öffnungen (11, 11.b) am oberen Teil des Rohres (3) vorhanden sind, um durch die natürliche Zirkulation das Überlaufen des Wassers aus dem Rohr Vereinfachen, wobei dieses Überlaufen eventuelle Luftblasen verhindern kann, die sich im Einlauf (3.a) bilden und so zu Verstopfungen führen können.
Verfahren zur Aktivierung des Rohrwiderstands gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostat den gedruckten Widerstand (4, 4.1) während der Phase der Akkumulation im Tank (2, 2.1) aktiviert, um das Wasser auf einer Temperatur zu halten, die leicht unterhalb der Verbrauchstemperatur liegt, wobei dieser Flusssensor diesen gedruckten Widerstand während der Phase der Entnahme des Wasser aktiviert, um die Erwärmung desselben abzuschließen: dieser, Widerstand ist sowohl zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Wassers auf einem ersten vorherbestimmten Wert, als auch für die anschließende Erwärmung auf eine zweite Entnahmetemperatur geeignet.