DE69921057T2

DE69921057T2 - Erhitzungsgerät und Fabrikationsverfahren eines Erhitzungselements

Info

Publication number: DE69921057T2
Application number: DE1999621057
Authority: DE
Inventors: R. Gerald SCOTT; V. David HEFFORD
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: DE69921057D1; GB9808634D0; JP2002509473A; US6377750B1; EP0991351B1; CN1263445A; JP3992756B2; WO1999055209A1; US6184509B1; CN1178616C; PL337720A1; EP0991351A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Erhitzungsgerät mit einem Kunststoffkörper und einem flachen Erhitzungselement, und bezieht sich insbesondere auf das Verfahren zum Anbringen des Erhitzungselementes an dem Körper. Die vorliegende Erfindung bezieht sich speziell aber nicht ausschließlich auf ein Wassererhitzungsgerät, wie einen elektrischen Kessel.
Es wurden bereits viele Flüssigkeitserhitzungsgeräte mit flachen Erhitzungselementen entwickelt, und es wurden bereits verschiedene Techniken zum Anbringen des Erhitzungselementes an dem Körper des Erhitzungsgeräts entwickelt. Meistens wird zwischen dem Körper des Erhitzungsgeräts und dem Erhitzungsgerät eine Dichtung vorgesehen und die Befestigungsverfahren versuchen eine einheitliche Zusammendrückung der Dichtung zu gewährleisten, damit eine zuverlässige Abdichtung erhalten wird.
GB 2.291.325 beschreibt ein Verfahren zum Anbringen eines flachen Erhitzungselementes an einem Kesselkörper, das sich auf Verformung des Kesselkörpers um das Erhitzungselement stützt zum Festklemmen des Erhitzungselementes an seinem Platz, indem eine Abdichtung zusammengepresst wird. Ein Problem bei dieser Annäherung ist, dass die Verformung des Kesselkörpers, die durch Erhitzung des Körpers erzielt wird, wobei danach auf das Material eine Kraft ausgeübt wird, verursacht eine strukturelle Erweichung in dem Material. Im Falle eines aus Kunststoff bestehenden Kesselkörpers kann nachträglich Schrumpf auftreten, wodurch die Kompression auf die Abdichtung reduziert werden kann. Weiterhin kann die Verformungsstufe des Kunststoffes nicht mit ausreichender Genauigkeit gesteuert werden um einen bekannten einheitlichen Kompressionspegel der Abdichtung zu schaffen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Anbringen eines flachen Erhitzungselementes an einen Kunststoffkörper zum Definieren eines Flüssigkeitserhitzungskessels, wobei eine Öffnung in dem Körper definiert ist zum Empfangen des Erhitzungselementes, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

– das Bedecken der Öffnung mit einer Fläche des Erhitzungselementes und das Positionieren einer Dichtung zwischen dem Erhitzungselement und dem Körper;
– das Positionieren eines Halteringes über die andere Fläche des Erhitzungselementes, wo bei dieser Ring mit einem Teil des Kunststoffkörpers zusammenarbeitet, wobei zwischen dem Körper und dem Haltering ein Induktionserhitzungselement angeordnet ist;
– das Verursachen dass die induktive Erhitzung des Elementes eine Induktionsverschweißung des Ringes mit dem Körper bildet, während eine Kraft ausgeübt wird, wodurch eine relative Bewegung des Halteringes und des Kesselkörpers entsteht zum Festklemmen des Erhitzungselementes an seinem Platz und zum Zusammendrücken der Abdichtung.

Die vorliegende Erfindung schafft ebenfalls ein Erhitzungsgerät mit einem Kunststoffkörper und einem flachen Erhitzungselement, die zusammen ein Flüssigkeitserhitzungsgefäß definieren, wobei das Erhitzungselement zwischen einem Teil des Körpers und einem Haltering festgeklemmt ist, wobei der Körper und der Haltering durch eine Induktionsschweißung aneinander befestigt sind.
Bei dem Verfahren und dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung ist das Erhitzungselement zwischen dem Kunststoffkörper und einem Haltering festgeklemmt, und diese zwei Elemente werden durch eine Induktionsschweißung zusammengehalten. Die Anwendung der Induktionserhitzung ermöglicht es, dass der Haltering und der Körper gegenüber einander bewegen können, wenn der Kunststoff sich erweicht, so dass Kompression der Dichtung erhalten werden kann. Nach Abkühlung der Induktionsschweißung wird die Kompression an die Dichtung beibehalten. Die Induktionsschweißung ist weniger empfindlich für Kriechspannungen als für einen Kunststoff-Tiefziehvorgang, und schafft auch eine einheitlichere Kompression der Dichtung als die Verwendung einer Anzahl diskreter Befestigungselemente, wie Schrauben.
Vorzugsweise definiert der Körper einen Kragen, der sich um die und unter der Öffnung erstreckt und der Haltering hat einen Kanal, der über den Kragen passt, wobei das Induktionserhitzungselement zwischen einem Teil des Kragens und dem Teil des Kanals vorgesehen ist. Diese Konstruktion erleichtert die Anordnung des Halteringes. Der Körper kann mit Anschlägen um eine Außenfläche des Kragens versehen sein, und der Haltering soll sich dann während der Induktionsschweißung verlagern, bis ein Teil des Halteringes gegen die Anschläge stößt, wodurch eine vorbestimmte Kompression der Dichtung definiert wird. Diese Anordnung vermeidet die Notwendigkeit einer genauen Prozesssteuerung zum Erhalten der gewünschten Dichtungskompression für eine effektive Abdichtung des Elementes in der Öffnung.
Ein zwischen liegendes Abschirmungselement kann zwischen dem Erhitzungselement und dem Haltering vorgesehen werden. Für eine effektive Induktionsschweißverbindung soll das Material der zwei Elemente, die verbunden werden sollen, dasselbe sein. Weiterhin kann es erwünscht sein, den Haltering vor der Hitze zu schützen, die von Elektromotor Erhitzungselement erzeugt wird, und wird das zwischen liegende Element zu diesem Zweck angeordnet.
Die Abdichtung zwischen dem Körper und dem Element kann um den Außenumfang des Erhitzungselementes vorgesehen werden, bevor das Erhitzungselement über die Öffnung an seinen Platz gebracht wird.
Das Induktionserhitzungselement umfasst vorzugsweise einen umlaufenden metallenen Ring, der in dem Kanal vorgesehen ist und die induktive Erhitzung wird dadurch verursacht, dass in der Nähe des Erhitzungselementes ein hochfrequentes wechselndes Magnetfeld erzeugt wird. Die Verwendung eines umlaufenden Ringes ermöglicht es, dass induzierte Ströme um das Erhitzungselement fließen und dies reduziert die erforderliche Frequenz\für den Induktionsschweißprozess, wodurch die Kosten der erforderlichen Anlage vereinfacht und reduziert werden. Die Frequenz beträgt etwa 50 kHz.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine explodierte Darstellung der Elemente, erforderlich zum Einbauen eines Erhitzungselementes in einem Kunststoffkörper unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung,
2 einen Schnitt durch die Elemente nach 1 in zusammengebauter Form,
3 einen Kessel nach der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine explodierte Darstellung der Elemente, erforderlich zum Befestigen eins flachen Erhitzungselementes an einem Kunststoffkörper unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Im Wesentlichen wird ein flaches Erhitzungselement zwischen einem Teil des Körpers des Kessels und dem Haltering festgeklemmt und die Klemmkraft wird durch eine Induktionsschweißverbindung zwischen dem Haltering und dem Teil des Körpers festgehalten.
In 1 ist der untere Teil eines Kunststoffkörpers 2 dargestellt. Der Körper 2 umfasst eine Außenwand, die eine Kammer 4 zum Empfangen zu erhitzender Flüssigkeit definiert. In der Nähe der Basis des Körpers 2 ist eine Öffnung 6 definiert, und die Wand der Öffnung 6 umfasst eine Rippe 8, die von dem Körper 2 weg sich einwärts erstreckt. Der Körper 2 umfasst einen ringförmigen Kragen 10, der sich unterhalb der Rippe 8 erstreckt und der Innendurchmesser des Kragens 10 entspricht etwa dem Außendurchmesser eines Erhitzungselementgebildes 12. In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst das Gebilde 12 das Erhitzungselement 14 und eine ringförmige Abdichtung 16, die um den Außenumfang des Elementes 14 vorgesehen wird. Auf diese Weise hat in der Ausführungsform nach 1 die ringförmige Abdichtung 16 einen C-förmigen Querschnitt, der einen Kanal definiert, in den der Außenumfang des Erhitzungselementes 15 empfangen wird. Die untere Fläche der Rippe 8 hat eine Ausnehmung 18, welche die obere Fläche der Abdichtung 16 kontaktiert, wenn das Erhitzungselementgebilde 12 sich am Platz befindet.
Die Abdichtung 16 kann eine Anzahl verschiedener Formen annehmen und die Abdichtung kann stattdessen nur an derjenigen Seite des Erhitzungselementes 14 vorgesehen werden, welche die Öffnung 6 abschließt.
Das Erhitzungselement 14 wird durch Einklemmung zwischen der Rippe 8 des Körpers 2 und einem zusätzlichen Haltering 20, der mit dem Kragen 10 des Körpers 2 zusammenarbeitet, an seinem Platz befestigt. Dazu hat der Haltering 20 einen ringförmigen Kanal 22, der mit dem Kragen 10 zusammenarbeitet, so dass der Haltering 20 über den Kragen 10 schiebbar ist. Der Haltering 20 wird dadurch an dem Körper 2 befestigt, dass zwischen dem Kragen 10 und dem Kanal 22 eine Induktionsschweißung gebildet wird. Dazu wird zwischen dem Kragen 10 und dem Kanal 22 ein Induktionserhitzungselement 24 vorgesehen. Der Induktionsschweißvorgang wird nachstehend detailliert beschrieben.
Zum Bilden einer Induktionsschweißung zwischen dem Körper 2 und dem Haltering 20 sollen diese zwei Elemente aus demselben Kunststoffmaterial hergestellt sein, beispielsweise aus Polypropylen oder ähnlichen Kunststoffen. Diese Materialien sollen gegen die Temperaturen geschützt werden, die im normalen Betrieb von dem Erhitzungselement erzeugt werden, so dass direkter Kontakt zwischen diesem Material und dem Erhitzungselement vermieden werden soll. Die Abdichtung 16 schafft zwischen der Rippe 8 des Kunststoffkörpers 2 und dem Erhitzungselement 14 eine thermische Sperre, wobei ein Spalt 9 zwischen dem Innenrand der Rippe 8 und dem Erhitzungselement 14 vorgesehen ist.
Um direkten Kontakt zwischen dem Erhitzungselement 14 und dem Haltering 20 zu vermeiden, wird ggf. zwischen dem Haltering 20 und dem Erhitzungselementge bilde 12 ein zusätzliches zwischen liegendes Abschirmungselement 26 vorgesehen. Das Abschirmungselement 26 umfasst einen Flansch 28, der zwischen dem Erhitzungselement 14 und dem Haltering 20 eine Sperre schafft, und vorzugsweise auch einen Fixierteil 30 umfasst, vorgesehen als Befestigungspfosten mit einem Gewindeloch in dem Beispiel nach 1. Dieser Befestigungspfosten schafft einen Befestigungspunkt für eine Basis 32 des Erhitzungsgeräts (dargestellt in 2). Das Abschirmungselement 26 kann aus einem Material auf Nylon-Basis oder aus einem thermisch beständigen Material hergestellt sein.
Das Verfahren zum Einbauen des Erhitzungselementes in den Kunststoffkörper wird nachstehend anhand der 2 näher beschrieben, wobei die Elemente aus 1 nach Zusammenbau unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. 2 zeigt außerdem die Basis 32 für den Flüssigkeitserhitzungskessel, gebildet nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Zum Zusammenbauen des Flüssigkeitserhitzungskessels wird die Öffnung 6 durch das Erhitzungselementgebilde 12 bedeckt, das über die Öffnung durch Anordnung innerhalb des Kragens 10 zentriert wird. Das etwaige Abschirmungselement 26 wird danach an der gegenüber liegenden Seite des Erhitzungselementes 14 an der Rippe 8 befestigt. Der Haltering 20 wird danach mit dem Kesselkörper 2 dadurch in Zusammenarbeit gebracht, dass der Kanal 22 des Ringes 20 über den Kragen 10 platziert wird. Der Haltering 20 kann über den Kragen 10 in eine Lage schieben, in der er das Erhitzungselement 14 festklemmt, während die Abdichtung 16 zusammengedrückt wird. Eine vorbestimmte Kompression der Abdichtung 16, beispielsweise ein minimaler Kompressionspegel, ist erforderlich um eine einwandfreie Abdichtung des Erhitzungselementes in dem Kessel zu gewährleisten. Diese Kompression wird durch Steuerung des Betrags erhalten, mit dem der Haltering 20 über den Kragen 10 schiebt. Dazu sind um die Außenfläche des Kragens 10 eine Anzahl Anschläge 11 vorgesehen. Der Haltering 20 umfasst einen inneren und einen äußeren Schenkel 20a, 20b (1) und die Spitze des Schenkels 20b stößt gegen die Anschläge 11 um die Verschiebung des Halteringes 20 über den Kragen 10 zu begrenzen. Die Spitze des inneren Schenkels 20a des Halteringes 20 kann mit einem verlängerten Teil 21 versehen sein, der eine vergrößerte Fläche schafft, über die auf das Erhitzungselementgebildet 12 Druck ausgeübt wird.
Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung befindet sich das Induktionserhitzungselement 24 in dem Kanal 22 des Halteringes 20 bevor der Haltering über den Kragen 10 positioniert wird. Wenn der Haltering 20 sich über den Kragen 10 befindet, sind die Abmessungen der Elemente derart, dass der Außenschenkel 20b des Halteringes 20 zunächst die Anschläge 11 nicht erreicht.
Zum Durchführen des Induktionsschweißprozesses ist ein HF-Generator erforderlich, der einer Generatorspule ein schwingendes elektromagnetisches Feld liefert, wobei diese Spule derart angeordnet ist, dass sie in nächster Nähe des Induktionserhitzungselementes 24 liegt. Die Primärspule erzeugt ein hochfrequentes Magnetfeld, das Eddy-Ströme in nahe liegende Metallteile führt. Diese Eddy-Ströme führen zu einer Ohmschen Wärmeaufnahme in diese Metallteile. Diese Wärmeaufnahme steigert die Temperatur des Erhitzungselementes 24, wodurch verursacht wird, dass der Kunststoff in der Nähe des Elementes 24 sich erweicht. Während des Induktionsschweißprozesses wird auf den Haltering eine Kraft ausgeübt um den Ring 20 weiter über den Kragen 10 zu schieben und dadurch die Abdichtung 16 zusammen zu pressen. Der Haltering 20 wird über den Kragen 10 gedrückt, bis der Außenschenkel 20b des Halteringes 20 gegen die Anschläge 11 stößt. An dieser Stelle gibt es eine vorbestimmte oder minimale Kompression der Abdichtung 16, die für eine effektive Verschweißung des Erhitzungselementes 14 mit dem Kunststoffkörper erforderlich ist. Die Kraft erfordert, dass diese Kompression beibehalten wird, nachdem der Induktionsschweißvorgang beendet worden ist, und bis die verschweißten Kunststoffelemente in der Nähe des Erhitzungselementes 25 abgekühlt und miteinander verschmolzen sind.
Das Induktionserhitzungselement 24 umfasst vorzugsweise eine umlaufende Drahtschleife. Der Draht kann beispielsweise ein Draht aus rostfreiem Stahl oder Nickel sein. Die Verwendung eines umlaufenden Metalldrahts ermöglicht es, dass die eingeführten Eddy-Ströme in einer Schleife fließen. Dies führt zu einer einheitlichen Wärmeaufnahme um den Draht und die induzierten Eddy-Ströme ermöglichen es, dass ein relativ niederfrequenter HF-Generator verwendet wird und mit einer relativ geringen Leistung. So kann beispielsweise der Generator mit 40 kHz arbeiten und kann einen Stromverbrauch von 2,5 kW haben. Der Induktionsschweißzyklus kann typischerweise etwa 3 Sekunden dauern.
Eine Alternative für einen umlaufenden Metalldraht ist die Verwendung eines Kunststoffbinders, der mit ferromagnetischem Pulver imprägniert ist. In diesem Fall führt der Wechselstrom in der Primärspule zu einem wechselnden induzierten Magnetfeld in den ferromagnetischen Pulverteilchen. Es treten Hystereseverluste auf, herrührend aus dem schwingenden Feld, was zu Wärmeaufnahme führt. Die Verwendung ferromagnetischer Teilchen, eingebettet in einem Kunststoffträger erfordern, dass ein HF-Generator mit einer höheren Frequenz verwendet wird (beispielsweise 40000 kHz) und wobei mit einer höheren Leistung gearbeitet wird (beispielsweise 5 kW).
2 zeigt auch eine Basis 32, die unter Verwendung eines Gewindeloches 30 in dem Befestigungspfosten des Abschirmungselementes 26 befestigt ist. Wie dargestellt, hat die Basis 32 eine Verbindungsöse 33, die sich in einer Ausnehmung 34 des Körpers 2 befindet um eine laterale Bewegung der Basis 32 zu vermeiden. Die Basis 32 ist unter Verwendung von Schrauben 36, die mit der Gewindebohrung 30 zusammenarbeiten in vertikaler Richtung gesichert. Die Kupplung zwischen der Basis 32 und dem Körper 2 kann derart entworfen sein, dass eine Formgebungslinie 38 geschaffen wird.
3 zeigt einen elektrischen Kessel 40 mit einem Erhitzungselement 14 zusammengebaut unter Anwendung des anhand der 1 und 2 beschriebenen Verfahrens. Der Kessel 14 umfasst den Körper 2 und die Basis 32, die durch Zusammenarbeit der Öse 33 mit der Ausnehmung 34 zusammengekuppelt werden zum Schaffen der Formgebungslinie 38. Die Basis 32 ist mit einem schnurlosen Verbindungselement versehen, das mit einem elektrischen Basisstecker 42 zusammenarbeitet. In 3 sind frei liegende Teile vorgesehen um die Befestigung des Erhitzungselementes und der Basis mit dem Körper entsprechend dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Wie in 3 dargestellt ist eine Schraubverbindung zur Kupplung der Basis mit dem Abschirmungselement 26 an der Vorderseite des Kessels (unterhalb der Schnauze) vorgesehen, während alternative Verbindungsformen auf der Rückseite des Kessels vorgesehen werden können (beispielsweise Schraubverbindungen unterhalb des Griffes des Kessels 40).
Die möglichen Entwürfe für das Erhitzungselementes selber werden nicht beschrieben, da unter Anwendung des Verfahren nach der vorliegenden Erfindung jedes bestehende Erhitzungselement an dem Kessel angebracht werden kann, unter der Bedingung, dass das Erhitzungselement einen im Wesentlichen flachen Randteil hat, der festgeklemmt werden kann, und zwar auf die Art und Weise, erforderlich für die vorliegende Erfindung. Auf gleiche Weise können viele verschiedene Steuerschaltungen vorgestellt werden zur Verwendung bei dem Kessel aus 3, aber diese werden nicht näher beschrieben, da sie dem Fachmann einleuchten dürften. Weiterhin dürfte es einleuchten, dass, obschon das beschriebene Befestigungsverfahren insbesondere anhand eines Kessels dargestellt worden ist, dieses Befestigungsverfahren auch im Zusammenhang mit vielen anderen Flüssigkeitserhitzungsgefäßen, wie Reiskochern, Friteusen, Eierkochern und dergleichen angewandt werden kann.

Claims

Verfahren zum Anbringen eines flachen Erhitzungselementes an einen Kunststoffkörper zum Definieren eines Flüssigkeitserhitzungskessels, wobei eine Öffnung in dem Körper definiert ist zum Empfangen des Erhitzungselementes, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: – das Bedecken der Öffnung mit einer Fläche des Erhitzungselementes und das Positionieren einer Dichtung zwischen dem Erhitzungselement und dem Körper; – das Positionieren eines Halteringes über die andere Fläche des Erhitzungselementes, wobei dieser Ring mit einem Teil des Kunststoffkörpers zusammenarbeitet, wobei zwischen dem Körper und dem Haltering ein Induktionserhitzungselement angeordnet ist; – das Verursachen dass die induktive Erhitzung des Elementes eine Induktionsverschweißung des Ringes mit dem Körper bildet, während eine Kraft ausgeübt wird, wodurch eine relative Bewegung des Halteringes und des Kesselkörpers entsteht zum Festklemmen des Erhitzungselementes an seinem Platz und zum Zusammendrücken der Abdichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Körper einen Kragen definiert, der sich um die Öffnung und unterhalb derselben erstreckt, und der Haltering einen Kanal hat, der über den Kragen passt, wobei das induktive Erhitzungselement zwischen einem Teil des Kragens und einem Teil des Kanals liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Körper mit Anschlägen um die Fläche des Kragens und außerhalb derselben versehen ist und wobei der Haltering während der Induktionsschweißung bewegt wird, bis ein Teil des Halteringes gegen die Anschläge stößt, wodurch eine vorbestimmte Kompression der Dichtung definiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein zwischen liegendes Abschirmungselement zwischen dem Erhitzungselement und dem Haltering vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei um den Außen umfang des Erhitzungselementes eine Dichtung vorgesehen wird, und zwar bevor das Erhitzungselement über die Öffnung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Induktionserhitzungselement einen endlosen Metallring aufweist, der in dem Kanal vorgesehen ist, und wobei die induktive Erhitzung dadurch verursacht wird, dass in der Nähe des Erhitzungselementes ein hochfrequentes wechselndes Magnetfeld erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Frequenz des erzeugten Magnetfeldes unterhalb 50 kHz liegt.
Erhitzungsgerät mit einem Kunststoffkörper und einem flachen Erhitzungselement, die zusammen ein Flüssigkeitserhitzungsgefäß definieren, wobei das Erhitzungselement zwischen einem Teil des Körpers und einem Haltering festgeklemmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper und der Haltering durch eine Induktionsschweißung aneinander befestigt sind.
Erhitzungsgerät nach Anspruch 8, wobei eine Öffnung in dem Körper definiert ist, die das Erhitzungselement erhält, wobei der Körper einen Kragen aufweist, der sich um die Öffnung und unterhalb derselben erstreckt, und wobei der Haltering einen Kanal hat, der über den Kragen passt, wobei die Induktionsschweißung zwischen einem Teil des Kragens und einem Teil des Kanals gebildet wird.
Erhitzungsgerät nach Anspruch 9, wobei ein ringförmiges Erhitzungselement zwischen dem Teil des Kragens und dem Teil des Kanals liegt, und zwar zum Bilden der Induktionsschweißverbindung.
Erhitzungsgerät nach Anspruch 10, wobei das Erhitzungselement einen endlosen Metallring in dem Kanal aufweist.
Erhitzungsgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei zwischen dem Umfang des Erhitzungselementes und dem Kunststoffkörper eine Dichtung vorgesehen ist.
Erhitzungsgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einem Kessel.