EP0123698B1 - Elektrischer Heizkörper zum Erhitzen eines Fluidstroms - Google Patents

Elektrischer Heizkörper zum Erhitzen eines Fluidstroms Download PDF

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EP0123698B1
EP0123698B1 EP83103976A EP83103976A EP0123698B1 EP 0123698 B1 EP0123698 B1 EP 0123698B1 EP 83103976 A EP83103976 A EP 83103976A EP 83103976 A EP83103976 A EP 83103976A EP 0123698 B1 EP0123698 B1 EP 0123698B1
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wire coil
heater body
resistance wire
heater
heating
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Arno Lassahn
Dieter F. Dr.-Ing. Schulze-Fröhlich
Hans Siwon
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Steinel GmbH and Co KG
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Steinel GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/16—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor the conductor being mounted on an insulating base
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base

Definitions

  • the invention relates to an electric radiator according to the preamble of claim 1.
  • An electric heater according to the preamble of claim 1 is known from FR-A-931 619.
  • this heater several ceramic bodies with a circular cross section are placed on top of one another, which receive the heating wire helix in corresponding recesses lying essentially in the cross-sectional areas.
  • the stacked ceramic bodies only abut each other in the central area, while the cylindrical outer walls of adjacent ceramic bodies end at a distance from one another in order to enable fluid exchange between the hot fluid immediately surrounding the filament and the still cold fluid outside the radiator through the slots formed thereby.
  • the fluid exchange in this radiator is limited to convection and is also made more difficult by relatively high flow resistances. This results in a relatively poor heat transfer, with the result that the heating wire coil heats up to high temperatures even at low power.
  • an electric space heater in which a radiator is arranged in front of a fan, which consists of a retaining ring and a star-shaped carrier arranged therein, in which a heating wire coil is spirally stretched in a cross-sectional plane.
  • the heating wire coil is located in corresponding recesses in the star-shaped carrier and flows through perpendicularly to the said cross-sectional area.
  • the present invention has for its object to provide a radiator for heating a fluid flow, with which a high heating power can be delivered to the fluid to be heated.
  • the heating element according to the invention allows the flow of the fluid to be heated to be guided past the heating wire coil at a selectable flow rate.
  • the fluid passes through several sections of the heating wire turning device, so that it can be gradually heated up to a relatively high starting temperature, with a very high power output with a relatively compact design being achievable at a predetermined maximum temperature for the heating wire coil.
  • the low flow resistance for the fluid to be heated means that low-power blowers can be used that run quietly, which makes the radiator particularly attractive for household and do-it-yourself devices.
  • the embodiment according to claim 2 offers in addition to the easy assembly the advantage that the individual sections of the heating wire coil in the radiator are kept securely isolated from each other.
  • the radiator shown in Fig. 1 in assembled form consists of seven identically designed and superimposed radiator elements 1, one of which is shown enlarged in Fig. 3.
  • This radiator element 1 is made of ceramic or other heat-resistant material and in this embodiment consists of a hollow cylindrical ring 2, a cylindrical inner part 3 and 12 radial webs 4 in between, which are arranged evenly distributed around the circumference.
  • the webs 4 are designed as thin walls with mutually parallel surfaces that extend in the radial and axial directions.
  • the inner part 3 is provided with a central opening 6 with a rectangular cross-section, through which a clamping element 7 with a square cross-section can be guided, which serves to secure the individual radiator elements 1 against rotation and to axially clamp them against one another.
  • the end of the clamping element 7 is provided with a thread on which a nut is placed, as can be seen in FIG. 1.
  • three axial bores 5a, 5b and 5c offset from one another by 120 ° are formed through the inner part 3, two receiving grooves 5d and 5f opening on one side opening into the bore 5a, said bores 5a having openings adjacent to the associated web 4 or connect air flow channels.
  • the webs 4 each have a material recess 8 on both sides, the function of which is explained below.
  • the heating wire helix is embedded between the individual circular heating element elements 1.
  • the heating wire coil 9 in this exemplary embodiment according to FIG. 1 consists of six partial sections 9a each lying in a cross-sectional plane between two adjacent radiator elements 1 and six axially lying straight wire pieces 9b.
  • the coiled sections 9a lie on a pitch circle of 330 ° in the recesses 8 in the webs 4th
  • the heating wire coil 9 has two connections 10a and 10b which can be connected to an electrical energy source, of which the connection 10a leading to the section 9a shown on the far left in FIG. 2 is guided through the bores 5a one above the other in the individual heating element elements 1.
  • This connection 10a is led through one of the receiving grooves 5e or 5f to the outside to the flow channels.
  • the first section 9a lies in the recesses 8 in the webs 4 and thus directly in the flow channels. If one follows this connection 10a of the heating wire coil 9 through the first section 9a, the first axial section 9b of the heating wire coil 9 is passed through a first opening through the second heating element 1 from the left in FIG. 1.
  • connection 10b The straight section 9b connecting the second section 9a with the third section 9a is then guided in the third radiator element 1 through the next opening, and so on, until the connection 10b can be led out of the bore 6b through the last radiator element 1.
  • the further connection 10c shown in FIG. 2 represents a voltage tap which can be used for the power supply of a blower and which is led out of the bore 5c of the last heating element 1.
  • a marking groove 20 is formed on the outer circumference of the radiator elements 1.
  • the fully assembled radiator is charged with a fluid, usually air, in the direction of arrow P shown in FIG. 1, the air passing the individual parts of the filament 9 through the openings between the webs 4 and heating up there.
  • a fluid usually air
  • the individual webs 4 are usually aligned with one another so that they form a continuous wall. The exact alignment can be checked with the marking groove 20. The resulting air resistance is relatively low and the filament 9 is optimally flowed around.
  • the upstream regions of the filament 9 are normally cooled more than their downstream parts which are already flushed with hot air.
  • the downstream parts of the filament 9 are therefore hotter than the upstream parts.
  • the heating wire coil 9 is designed with a different slope of the helical areas. In the upstream sections, the resistance wires are therefore packed more densely and are washed around by less air per unit length than in the downstream areas, so that the heating wire coil 9 assumes an almost constant temperature over its entire length.
  • the individual sections 9a of the heating wire coil 9 have the following number of turns, the number of turns decreasing downstream.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Heizkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein elektrischer Heizkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bekannt aus der FR-A-931 619. Bei diesem Heizkörper sind mehrere im Querschnitt kreisförmige Keramikkörper aufeinandergesetzt, die in entsprechenden, im wesentlichen in den Querschnittsflächen liegenden Ausnehmungen die Heizdrahtwendel aufnehmen. Die aufeinander gestapelten Keramikkörper liegen nur im zentralen Bereich aneinander an, während die zylindrischen Außenwände benachbarter Keramikkörper mit Abstand voneinander enden, um durch die dadurch gebildeten Schlitze den Fluidaustausch zwischen dem die Heizdrahtwendel unmittelbar umgebenden heißen Fluid und dem noch kalten Fluid außerhalb des Heizkörpers zu ermöglichen. Der Fluidaustausch ist bei diesem Heizkörper auf Konvektion beschränkt und zudem durch relativ hohe Strömungswiderstände erschwert. Daraus resultiert eine relativ schlechte Wärmeübertragung, mit dem Ergebnis, daß sich die Heizdrahtwendel auch bei geringer Leistung auf hohe Temperaturen aufheizt. Bei der Erwärmung von Flüssigkeiten mit relativ hoher Wärmekapazität und einer bei Flüssigkeiten ohnehin erfolgenden Beschränkung der maximalen Temperatur der Heizdrahtwendel auf die Siedetemperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit, mag dieser Nachteil nicht als gravierend anzusehen sein, während dieser Heizkörper zur Erwärmung von Luft bereits bei relativ geringen Leistungen schon nicht mehr brauchbar ist.
  • Aus der FR-A-1 268 738 ist ein elektrischer Raumheizer bekannt, bei dem vor einem Ventilator ein Heizkörper angeordnet ist, der aus einem Haltering und einem darin angeordneten sternförmigen Träger besteht, in dem in einer Querschnittsebene eine Heizdrahtwendel spiralförmig aufgespannt ist. Die Heizdrahtwendel liegt in entsprechenden Ausnehmungen in dem sternförmigen Träger und wird senkrecht zu der genannten Queischnittsfläche durchströmt. Ein derartiger Heizkörper hat zwar einen geringen Strömungswiderstand, läßt jedoch auch dann, wenn die Heizdrahtwendel nahezu zur Weißglut gebracht wird, keine höheren Ausgangstemperaturen als etwa 150 °C zu.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkörper zum Erhitzen eines Fluidstroms anzugeben, mit dem eine hohe Heizleistung an das zu erhitzende Fluid abgebbar ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Der erfindungsgemäße Heizkörper erlaubt es, die Strömung des zu erhitzenden Fluids zwangsweise mit wählbarer Strömungsgeschwindigkeit an der Heizdrahtwendel vorbeizuführen. Zusätzlich passiert das Fluid mehrere Abschnitte der Heizdrahtwendei, so daß es stufenweise auf eine relativ hohe Ausgangstemperatur aufheizbar ist, wobei bei vorgegebener Maximaltemperatur für die Heizdrahtwendel eine sehr hohe Leistungsabgabe bei relativ kompakter Bauweise erreichbar ist. Durch den niedrigen Strömungswiderstand für das zu erhitzende Fluid lassen sich Gebläse mit geringer Leistung verwenden, die leise laufen, was den Heizkörper besonders bei Haushalt- und Heimwerkergeräten attraktiv macht.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 2 bietet neben der leichten Montage den Vorteil, daß die einzelnen Abschnitte der Heizdrahtwendel in dem Heizkörper sicher gegeneinander isoliert gehalten werden.
  • Die Weiterbildung nach Anspruch 3 bietet die einfache Möglichkeit, das eine Ende der Heizdrahtwendel zu ihrem anderen Ende hin durch eine der Bohrungen ohne Isolationsprobleme zurückzuführen.
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen :
    • Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heizkörpers ;
    • Figur 2 eine perspektivische Darstellung der im Heizkörper nach Fig. 1 enthaltenen Heizdrahtwendel ;
    • Figur 3 eine vergrößerte Darstellung eines Heizkörperelements, und
    • Figur 4 das Heizkörperelement nach Fig. 3 mit darin enthaltener Heizdrahtwendel.
  • Der in Fig. 1 in montierter Form dargestellte Heizkörper besteht aus sieben identisch ausgebildeten und aufeinander gesetzten Heizkörperelementen 1, von denen eines in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist. Dieses Heizkörperelement 1 ist aus keramischem oder anderem hitzebeständigem Material gefertigt und besteht in dieser Ausführungsform aus einem hohlzylindrischen Ring 2, einem zylindrischen Innenteil 3 und dazwischenliegenden zwölf radialen Stegen 4, die gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind. Die Stege 4 sind als dünne Wände mit zueinander parallelen Oberflächen, die sich in radialer und axialer Richtung erstrecken, ausgebildet.
  • Das Innenteil 3 ist mit einer zentralen Öffnung 6 mit rechteckförmigem Querschnitt versehen, durch die ein Spannelement 7 mit Vierkantquerschnitt führbar ist, das dazu dient, die einzelnen Heizkörperelemente 1 gegen ein Verdrehen zu sichern und axial gegeneinander zu verspannen. Zur axialen Verspannung ist das Ende des Spannelements 7 mit einem Gewinde versehen, auf das eine Mutter aufgesetzt ist, wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist. Außerdem sind drei um jeweils 120° gegeneinander versetzte axiale Bohrungen 5a, 5b und 5c durch das Innenteil 3 ausgebildet, wobei in die Bohrung 5a zwei auf einer Seite angebrachte Aufnahmerinnen 5d und 5f münden, die diese Bohrung 5a mit zu dem zugehörigen Steg 4 benachbarten Durchbrüchen oder Luftströmungskanälen verbinden.
  • Die Stege 4 weisen zu beiden Seiten je eine Materialausnehmung 8 auf, deren Funktion nachstehend erläutert wird.
  • Zwischen den einzelnen kreisförmigen Heizkörperelementen 1 ist die Heizdrahtwendel eingebettet, wie sie in Fig. 2 getrennt dargestellt ist. Nach der Montage besteht die Heizdrahtwendel 9 in diesem Auführungsbeispiel nach Fig. 1 aus sechs jeweils in einer Querschnittsebene zwischen zwei benachbarten Heizkörperelementen 1 liegenden Teilabschnitten 9a und sechs axial liegenden geradlinigen Drahtstücken 9b. Die gewendelten Teilabschnitte 9a liegen auf einem Teilkreis von 330° in den Ausnehmungen 8 in den Stegen 4.
  • Die Heizdrahtwendel 9 hat zwei an eine elektrische Energiequelle anschließbare Anschlüsse 10a und 10b, von denen der zu dem in Fig. 2 ganz links dargestellte Teilabschnitt 9a führende Anschluß 10a durch die übereinander liegenden Bohrungen 5a in den einzelnen Heizkörperelementen 1 geführt ist. Dieser Anschluß 10a wird durch eine der Aufnahmerinnen 5e oder 5f nach außen zu den Strömungskanälen geführt. Der erste Teilabschnitt 9a liegt in den Ausnehmungen 8 in den Stegen 4 und damit unmittelbar in den Strömungskanälen. Folgt man von diesem Anschluß 10a der Heizdrahtwendel 9 durch den ersten Teilabschnitt 9a, so wird der erste axiale Abschnitt 9b der Heizdrahtwendel 9 durch einen ersten Durchbruch durch das in Fig. 1 von links zweite Heizkörperelement 1 hindurchgeführt. Der den zweiten Teilabschnitt 9a mit dem dritten Teilabschnitt 9a verbindende gerade Abschnitt 9b wird dann im dritten Heizkörperelement 1 durch den nächstfolgenden Durchbruch geführt, und so weiter, bis der Anschluß 10b durch das letzte Heizkörperelement 1 aus der Bohrung 6b herausgeführt werden kann. Der weitere in Fig. 2 dargestellte Anschluß 10c stellt eine Spannungsanzapfung dar, die für die Stromversorgung eines Gebläses benutzt werden kann und aus der Bohrung 5c des letzten Heizkörperelements 1 herausgeführt wird. Am Außenumfang der Heizkörperelemente 1 ist eine Markierungsrille 20 ausgebildet.
  • Der fertig montierte Heizkörper wird in der in Fig. 1 dargestellten Pfeilrichtung P mit einem Fluid, üblicherweise Luft, beschickt, wobei die Luft durch die zwischen den Stegen 4 liegenden Durchbrüche an den einzelnen Teilen der Heizdrahtwendel 9 vorbeistreicht und sich dort erhitzt. In dem durch den Ring 2 und as Innenteil 3 gebildeten Zwischenraum liegen lediglich die dünnen Stege 4 und die Heizdrahtwendel 9, die der Luft einen Widerstand bieten können. Bei der Montage werden die einzelnen Stege 4 üblicherweise aufeinander ausgerichtet, so daß sie eine durchgehende Wand bilden. Die genaue Ausrichtung kann mit der Markierungsrille 20 überprüft werden. Der sich ergebende Luftwiderstand ist relativ gering und die Heizdrahtwendel 9 wird optimal umströmt.
  • Wenn die kalte Luft von der einen Seite in den Heizkörper eingeblasen wird, werden die stromaufwärts liegenden Bereiche der Heizdrahtwendel 9 normalerweise stärker gekühlt, als ihre bereits von heißer Luft umspülten stromabwärts liegenden Teile. Die stromabwärts liegenden Teile der Heizdrahtwendel 9 werden deshalb heißer als die stomaufwärts liegenden Teile. Um dies zu vermeiden ist in einer besonderen Ausführungsform die Heizdrahtwendel 9 mit unterschiedlicher Steigung der wendelförmigen Bereiche ausgebildet. In den stromaufwärts liegenden Teilstücken sind deshalb die Widerstandsdrähte dichter gepackt und werden pro Längeneinheit von weniger Luft umspült als in den stromabwärts liegenden Bereichen, so daß die Heizdrahtwendel 9 auf ihrer gesamten Länge annähernd konstante Temperatur annimmt.
  • Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weisen beispielsweise die einzelnen Teilabschnitte 9a der Heizdrahtwendel 9 folgende Windungszahlen auf, wobei die Windungszahlen stromabwärts abnehmen.
    Figure imgb0001

Claims (3)

1. Elektrischer Heizkörper zum Erhitzen eines Fluids, mit einer Haltevorrichtung zur Aufnahme einer Heizdrahtwendel (9), wobei die Haltevorrichtung aus einzelnen in axialer Richtung aufeinandergesetzten, im Querschnitt kreisförmigen Heizkörperelementen besteht, in denen in aneinander gegenüberliegenden Bereichen Ausnehmungen (8) ausgebildet sind, in denen die Heizdrahtwendel (9) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß. sich die Außenwände (2) der Heizkörperelemente (1) in aufeinander gesetztem Zustand zu einer geschlossenen, zylindrischen Außenwand der Haltevorrichtung ergänzen, und daß in den Heizkörperelementen (1) von den Außenwänden (2) radial nach innen verlaufende Stege (4) vorgesehen sind, die die Ausnehmungen (8) zur Aufnahme der Heizdrahtwendel (9) aufweisen und zwischen sich axiale Strömungskanäle für den Fluidstrom festlegen.
2. Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilabschnitte (9a) der Heizdrahtwendel (9) in den Querschnittsebenen zwischen zwei jeweils benachbarten Heizkörperelementen (1) auf einem nahezu geschlossenen Kreis angeordnet sind, und daß die jeweils zwei Teilabschnitte (9a) der Heizdrahtwendel (9) verbindenden axialen Abschnitte (9b) in einander benachbarten Heizkörperelementen (1) jeweils durch um einen Steg (4) radial versetzte Durchbrüche geführt sind.
3. Heizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zentralen Innenteil (3) axiale Bohrungen (5a, 5b, 5c) ausgebildet sind.
EP83103976A 1983-04-22 1983-04-22 Elektrischer Heizkörper zum Erhitzen eines Fluidstroms Expired EP0123698B1 (de)

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