DEP0027883DA - Schmiegsamer elektrischer Heizkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung schmiegsamer elektrischer Heizkörper beliebiger Form, Größe und Anwendung, bei denen Wicklungen aus Widerstandsdraht auf einer oder mehrerer Unterlagen aus elektrisch nicht leitendem, schmiegsamen Werkstoff angeordnet sind.

Bei schmiegsamen Heizkörpern handelt es sich meist um solche für die Erzeugung relativ niedriger Temperaturen bis etwa 100 bis 200°C; dementsprechend ist in der Regel die Leistung je Flächeneinheit klein, in der Größenordnung bis etwa 0,5 W/cm(exp)2, und die verwendeten Widerstandsdrähte sind relativ dünn, meist 0,5 bis 0,2 mm Durchmesser. Die Formgebung dieser dünnen und weichen Drähte ist besonders schwierig, weshalb man bisher zu umständlichen und teueren Herstellungsverfahren gezwungen war.

Der bisher meist übliche Aufbau der Heizeinrichtung solcher schmiegsamer elektrischer Heizkörper wird nachstehend am Beispiel eines Heizkissens beschrieben. Der Widerstandsdraht wird in Form einer Schraubenlinie (Wendel) auf eine Seele aus einem oder mehreren Asbestfäden aufgewickelt und darüber eine Asbest-Umwicklung oder -Umspinnung aufgebracht. Abb. 1 zeigt die so entstandene "Heizkordel"; a ist die Asbest-Seele, b der wendelförmige Heizleiter, c die Asbest-Umwicklung. Eine solche Heizkordel hat im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 2 bis 3 mm. Diese Heizkordel wird zwischen zwei Stoffteile eingelegt oder in vorgenähte Kanäle dieser teile eingezogen; auf diese Weise entsteht ein Heizkörper mit einem Querschnitt nach Abb. 2; hierin ist d die Heizkordel, e sind die beiden Stoffteile, f die Nähte, die die beiden Teile e zusammenhalten und gleichzeitig die Kanäle g für die Aufnahme der Heizkordel d bilden.

Ein derartiger Aufbau der Heizwicklung hat verschiedene Nachteile.

Die Heizkordel trägt wegen ihres relativ großen Ducrhmessers stark auf, sodass die Dicke eines solchen Heizkörpers nach Abb. 2 sehr ungleichmäßig ist. Dies wird bei längerem Liegen auf einem solchen Heizkissen schon vom Menschen empfunden, besonders störend ist diese Eigenschaft jedoch bei technischen Beheizungen, wo die Heizkordel entsprechende Rinnen in den beheizten und ggf. aufgepressten Gegenstand eindrückt.

Weiter ist die Heizwicklung und damit deren Wärmewirkung für bestimmte Zwecke zu stark konzentriert. Bezeichnet man als "relative Bedeckung" das Verhältnis der von der Heizwicklung bedeckten Fläche -- für die oben angeführte Wendelform ist dabei ein Streifen vom Außendurchmesser der Wendel bei entsprechender Länge einzusetzen -- zur Gesamtfläche des Heizkissens, so ergeben sich bei dem oben beschriebenen Aufbau und der bei Heizkissen üblichen Ausführung und Anordnung der Heizkordeln Werte der "relativen Bedeckung" in der Größenordnung von etwa 5 bis25%, in der Regel ca. 15%. Entsprechend diesen geringen Werten ergibt sich eine sehr ungleichmäßige Temperatur-Verteilung sowohl im Heizkissen wie im beheizten Gegenstand, was insbesondere bei technischen Beheizungen vielfach nicht zulässig ist; die Ungleichmäßigkeit im beheizten Gegenstand ist dabei umso größer, je geringer dessen Wärmeleitfähigkeit ist.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Asbest-Seele und -Umwicklung mit dem Widerstandwerkstoff. Besondere Schwierigkeiten entstehen dann, wenn der Asbest pyrithaltig ist. Bei Erwärmung oder Einwirkung von Feuchtigkeit, wozu schon die normale Luftfeuchtigkeit ausreicht, oder beidem, treten chemische Reaktionen zwischen Widerstandsdraht und Asbest ein, die den Draht oft schon nach kurzer Zeit zerstören. Die Auswahl des Asbestes und des Werkstoffes der Heizwendel muss daher ganz besonders sorgfältig vorgenommen werden; aus diesem Grunde sind nur wenige Widerstands-Legierungen für die Anfertigung solcher Heizkordeln verwendbar. So eignen sich z.B. Legierungen mit etwa 55% Cu, 45% Ni ohne Zusätze von Eisen und Zink meist gut, während Legierungen dieses Typs mit solchen Zusätzen oder auch nur Verunreinigungen meist erhebliche Schwierigkeiten bereiten. Erst recht gilt dies für Legierungen mit z.B. 55% Cr, 25% Ni, 20% Zn, eine Zusammensetzung, die sich bei Abwesenheit von Asbest bzw. Pyrit als Widerstandswerkstoff gut bewährt hat.

Ein nach Abb. 2 aufgebauter Heizkörper hat nach beiden Seiten gleiche Wärmleitfähigkeit, was nicht in jedem Falle vorteilhaft ist; befindet sich nämlich der zu beheizende Gegenstand nur auf einer Seite des Heizkörpers, so ist die nach der anderen Seite abgegebene, ungefähr gleichgroße Wärmemenge als Verlust anzusehen. In der beschriebenen Weise aufgebaute Heizkörper gestatten außerdem nur geringe mechanische Beanspruchung durch Zug, Biegung oder Knickung.

Nach der Erfindung hergestellte Heizkörper vermeiden diese Nachteile.

Erfindungsgemäß wird dabei der Widerstandsdraht auf eine Seite einer aus elektrisch nicht leitendem, schmiegsamem Werkstoff bestehenden Unterlage geeigneter Form und Größe in eben, regelmäßig hin- und hergehenden Windungen, z.B. in Zick-Zack- oder Mäander-Foem, aufgebracht und an jeder Umkehrung von einem auf der anderen Seite der Unterlage verlaufenden Faden umschlungen und so an jeder Umkehrung auf der Unterlage befestigt.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der Widerstandsdraht seine (Zick-Zack-)Form gleichzeitig mit dem Faden und durch die Befestigung durch ihn auf der Unterlage erhält; beide Vorgänge -- Formgebung des Widerstandsdrahtes und Befestigung auf der Unterlage -- sind also voneinander abhängig, sodass z.B. beimmNichtumschlingen des Drahtes durch den Faden die Formgebung des Drahtes gestört ist. Es ist dabei ohne Belang, ob die Herstellung von Hand oder maschinell erfolgt, welche letzteres allerdings die regel ist.

Die Anordnung metallischer Heizleiter in Mäanderform ist an sich bekannt; so werden z.B. so gebogene Drähte aus Heizleiter-Legierung des Typs Cr-Ni oder Cr-Al-Fe u.a. in flachen Rohr-Heizkörpern verwendet. Dabei handelt es sich jedoch in der Regel um Drahtdurchmesser größer als 0,2 mm und um härtere Drähte, sodass der Heizleiter für sich ohne Befestigung auf einer Unterlage vorab in die gewünschte Form gebracht werden kann und diese Form dann auch bei der weiteren Verarbeitung beibehält.

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei den aus Cu-Ni, Cr-Ni-Zn und ähnlichen Legierungen bestehenden Widerstandsdrähte für schmiegsame Elektro-Wärme-Geräte meist um sehr kleine Durchmesser von etwa 0,05 bis 0,3 mm und um sehr weiche Drähte. Solche Widerstandsdrähte können nicht ohne gleichzeitige Befestigung auf einer Unterlage in eine Mäander- oder ähnliche Form gebracht werden, da sie anderenfalls ihre Form bei der weiteren Verarbeitung wieder verlieren würden.

Auch die Befestigung dünner Widerstandsdrähte durch Faden auf schmiegsamen Unterlagen ist bereits ausgeführt worden; dabei ist jedoch der Draht ziemlich beliebig in unregelmäßigen (Schlangen-)Linien verlegt und nur gelegentlich von Hand durch Faden an willkürlich gewählten Stellen auf der Unterlage angeheftet.

Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass der Widerstandsdraht in ebenen, regelmäßig hin- und hergehenden Windungen auf einer schmiegsamen Unterlage verlegt, an jeder Umkehrung von einem Faden umschlungen und so auf der Unterlage befestigt wird; Formgebung der Wicklung und Befestigung auf der Unterlage sind dabei von einander abhängig und erfolgen gleichzeitig.

Die Befestigung des Widerstandsdrahtes auf der Unterlage durch den Faden kann dabei in verschiedener Weise erfolgen. Die "Normal"-Ausführung ist in Abb. 3 wiedergegeben. Darin ist h die schmiegsame Unterlage, i der in Zick-Zack-Form geführte Widerstandsdraht, k der Faden. Dabei liegt der Draht i nur auf einer Seite der Unterlage, im Folgenden "Drahtseite" genannt, während der Faden k im wesentlichen auf der anderen Seite, im Folgenden "Fadenseite" genannt, verläuft; lediglich zur Umschlingung des Drahtes i tritt der Faden k durch die Unterlage h hindurch, wird also auf der Drahtseite nur gerade eben sichtbar; in diesem Falle sind Draht und Faden im wesentlichen gleichlaufend.

Der Widerstandsdraht i kann auch von der Drahtseite auf die Fadenseite durchzogen werden, sodass der Faden k ausschließlich auf der Fadenseite der Unterlage verläuft. Im Grenzfall kann der Draht i so weit nach der Fadenseite durchgezogen werden, dass der Faden k selbst fast geradlinig verläuft, wie dies Abb. 4 zeigt. Der Vorteil einer solchen Ausführung besteht darin, dass bei gleicher Wicklungslänge mehr Widerstandsdraht untergebracht werden kann, was insbesondere für Wicklungen mit hohem elektrischen Widerstand vorteilhaft ist.

Auch die umgekehrte Ausführung ist möglich; dabei würde der Faden auf die Drahtseite der Unterlage weiter durchgezogen sein und im Grenzfall der Widerstandsdraht fast geradlinig verlaufen. In Abb. 4 sind dann lediglich Draht i und Faden k vertauscht zu denken.

Naturgemäß sind auch alle Zwischenstufen zwischen diesen beiden Grenzfällen ausführbar.

Die Breite der Wicklung kann an sich beliebig groß gewählt werden. Bei breiten Wicklungen, z.B. nach Abb. 5, ist die Dehnbarkeit in Wicklungsrichtung 1 groß, senkrecht dazu, in Richtung m, jedoch beschränkt; je nach den am Heizkörper bei seiner Verwendung zu erwartenden Dehnungs-Größe und -Richtung wird man die Breiten der Wicklung wählen. Um in jede Richtung ungefähr die gleiche Dehnbarkeit zu erreichen, wird im allgemeinen die Wicklung nicht über die ganze Breite des Heizkörpers erstreckt, sondern es werden mehrere Wicklungsteile in geeignetem Abstand nebeneinander mehr oder weniger parallel verlaufend angeordnet. Abb. 6 zeigt eine solche Unterteilung in z.B. 5 Wicklungsteile. Als zweckmäßig haben sich Wicklungsbreiten bis zu etwa 10 mm erwiesen. Die Wicklungsteile können elektrisch beliebig geschaltet werden; die Art der Schaltung ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Besonders gute Dehnbarkeit senkrecht zur Wicklungsrichtung erhält man, wenn der Faden bis zur Drahtseite der Unterlage durchgeht, wie dies in Abb. 3 dargestellt ist.

Als Werkstoff für die Unterlage kann jeder elektrisch isolierende, für den Verwendungszweck des Heizkörpers ausreichend schmiegsame Werkstoff verwendet werde, z.B. Textil- oder Glasgewebe, Kunststoff; die Auswahl richtet sich nach dem am Heizkörper auftretenden Temperaturen, den erfordelichen Dehnungseigenschaften usw. Für die praktische Herstellung kommen in erster Linie Textilgewebe in Betracht, wobei es für die Herstellung der Wicklung zweckmäßig ist, versteiftes Gewebe zu verwenden, was z.B. bei einlagigen Geweben durch Appretierung oder durch Kaschierung mehrerer Lagen erreicht wird. Dabei lässt sich die Heizwicklung einwandfrei herstellen, ohne dass sich bei der Aufbringung der Wicklung das Gewebe zusammenzieht und ohne dass die Dehnungseigenschaften des fertigen Heizkörpers dadurch beeinträchtigt werden.

Als Faden für die Befestigung der Heizwicklung auf der Unterlage kommen in erster Linie Textilfäden in Frage; selbstverständlich können auch Kunststoff-Fäden oder dgl. Verwendung finden.

Weiterhin ist es möglich, statt des Fadens einen zweiten Draht gleicher oder anderer Abmessungen und Eigenschaften zu verwenden. Dann ergeben sich auf einer Unterlage zwei Wicklungen, die sich an jeder Umkehrung umschlingen. Sind beide Drähte blank, so sind die beiden entstehenden Wicklungen automatisch parallel geschaltet; durch Verwendung wenigstens eines isolierten Drahtes, z.B. umsponnen, emailliert, lackiert, oxydiert, kann diese automatische Parallelschaltung vermieden werden. Es ist in diesem Falle trotzdem zweckmäßig, die beiden Wicklungen elektrisch parallel zu betreiben.

Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellter Heizkörper kann z.B. nur aus der Unterlage mit der (den) darauf aufgebrachten Wicklung(en) bestehen; im allgemeinen wird jedoch noch eine elektrische Isolation zur Vermeidung von Berührung, Wicklungsanschlüssen und dgl. erforderlich sein, ggf. auch die Anbringung besonderer wärme-isolierender Teile zur Verringerung von Wärmeverlusten. Hierzu werden an sich bekannte Mittel verwendet, beispielsweise schmiegsame Abdeckungen aus Textilgewebe; diese Decklagen können über die ganze Fläche oder nur teilweise mit der Unterlage fest verbunden werden, z.B. durch Vernähen oder Verkleben.

Ferner ist es möglich, in einem Heizkörper mehrere gemäß der Erfindung mit Wicklungen versehene Unterlagen zusammen zu bauen, ggf. unter Zwischenlage entsprechender elektrisch oder ggf. unter Zwischenlage entsprechender elektrisch oder ggf. auch gleichzeitig Wärme-isolierende Schichten.

Nach der Erfindung hergestellte Heizkörper haben wesentliche Vorteile gegenüber den bisher bekannten Ausführungen schmiegsamer Heizkörper. Die ebene Wicklung trägt so gut wie gar nicht auf, sodass z.B. an einem aus drei Lagen zusammengebauten Heizkörper bei einer Stärke der einzelnen Lagen von 0,5 mm durch messen der Dicke des Heizkörpers an verschiedenen Stellen die lage der Wicklungen nicht festgestellt werden kann. Damit eignen sich solche Heizkörper besonders dort gut , wo Eindrücke auf dem beheizten und u.U. angepassten Gegenstand vermieden werden müssen.

Da auch die "relative Bedeckung" sehr viel höhere Werte -- bis zu etwa 90%, im Mittel in der praktischen Ausführung etwa 60 bis 70% -- erreicht, ist die Gefahr starker örtlicher Erwärmung sowohl der Heizwicklung, der Unterlage und etwaiger Decklagen, als auch des beheizten Gegenstandes beseitigt; die Temperatur-Verteilung im Heizkörper und im beheizten Gegenstand ist sehr viel gleichmäßiger, was insbesondere für technische Beheizungen wichtig ist.

Auch die Korrosionsgefahr des Widerstandsdrahtes ist durch den Wegfall von Asbest ausgeschaltet, sodass alle Widerstands-Legierungen verwendet werden können, soweit sie nach ihren elektrischen, mechanischen und sonstigen Eigenschaften geeignet sind.

Die Dehnbarkeit eines nach der Erfindung hergestellten Heizkörpers ist, insbesondere bei nicht zu großer Wicklungsbreite und ggf. Unterteilung in mehrere Wicklungsteile ganz erheblich besser als bei den bisher bekannten Ausführungen schmiegsamer Elektro-Wärme-Geräte.

Durch die einseitige Anordnung der Heizwicklungen auf der Unterlage ergeben sich, wenn man die "Drahtseite" dem beheizten Gegenstand zukehrt, infolge der verschiedenen Wärmewiderstände verringerte Wärme-Verluste, womit solche Heizkörper auch im Betrieb wirtschaftlicher sind.

Die Anheizzeit von nach der Erfindung hergestellten Heizkörpern ist wesentlich geringer als bei Heizkörpern des bisher bekannten Aufbaus.

Auch die Temperatur des Widerstandsdrahtes ist erheblich kleiner, sodass die Gefahr der Zerstörung der Unterlage und der Decklagen verringert und die Gefahr bei Verwendung als Haushalts-Heizkissen wesentlich eingeschränkt ist.

Schließlich ist die Herstellung von Heizeinrichtungen nach der Erfindung insbesondere bei maschineller Herstellung rationeller und billiger als bei dem bisher bekannten Aufbau.

Claims (6)

1. Schmiegsamer elektrischer Heizkörper, bei dem die Widerstandswicklung auf einer oder beiden Seiten einer elektrisch nicht leitenden, schmiegsamen Unterlage beliebiger Form und Größe aufgebraucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht in ebenen, regelmäßig hin- und hergehenden Windungen aufgebracht und gleichzeitig an jeder Umkehrung von einem auf der anderen Seite der Unterlage verlaufenden Faden oder Draht umschlungen und so an jeder Umkehrung auf der Unterlage befestigt ist.

2. Heizkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Faden ein Textilfaden verwendet wird.

3. Heizkörper gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterlage Textilgewebe verwendet wird.

4. Heizkörper gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterlage appretiertes oder kaschiertes Textilgewebe verwendet wird.

5. Heizkörper gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Unterlagen mit den darauf befestigten Wicklungen und evtl. Zwischenlagen zwischen zwei oder mehr Decklagen eingelegt und mit diesen ganz oder teilweise durch Vernähen, Verkleben oder beides fest verbunden sind.

6. Verfahren zur Herstellung von Heizkörpern, gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlegung des Widerstandsdrahtes und des Fadens bzw. des zweiten Drahtes und die gegenseitige Umschlingung maschinell erfolgt.