EP1006320A2

EP1006320A2 - Elektrischer Durchlauferhitzer und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP1006320A2
Application number: EP99122876A
Authority: EP
Inventors: Albert Dr. Kerber
Original assignee: SiCeram GmbH
Current assignee: SiCeram GmbH
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2000-06-07
Also published as: CA2291370A1; KR20000047882A; EP1006320A3; JP2000200675A; DE19856087A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer mit einer Heizkammer, die einen Zufluß und einen Abfluß für eine zu erhitzende Flüssigkeit aufweist. Um einen Durchlauferhitzer mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu schaffen, ist vorgesehen, daß mindestens ein Teil der Wandung der Heizkammer aus einer Hochleistungskeramik besteht und daß außerhalb der Heizkammer ein Heizleiter vorgesehen ist, der mit der Außenseite der Hochleistungskeramik einen Flächenkontakt bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer mit einer Heizkammer, die einen Zufluß und einen Abfluß für eine zu erhitzende Flüssigkeit aufweist.

Durchlauferhitzer werden im Haushaltsbereich beispielsweise für Spülmaschinen oder Waschmaschinen verwendet oder aber werden für industrielle Anwendungen beispielsweise zum Erhitzen von Wärmeträgerölen eingesetzt.

Üblicherweise besteht ein Durchlauferhitzer aus einem Metallrohr, das von einer elektrisch isolierenden Schicht und einer darauf aufgebrachten Heizspirale umgeben ist. Dieser Aufbau hat allerdings den Nachteil, daß zwischen der Heizspirale und dem Metallrohr ein verhältnismäßig hoher Wärmewiderstand besteht, so daß mitunter erhebliche Temperaturdifferenzen zwischen der Heizspirale und dem Metallrohr auftreten.

Aus der DE 297 02 813 U1 ist ein Kochfeld bekannt, das eine Kochplatte aus Hochleistungskeramik aufweist. Auf der Unterseite der Kochplatte ist ein Heizleiter aufgebracht, der mit der Kochplatte einen Flächenkontakt bildet. Als Hochleistungskeramiken werden insbesondere Siliziumnitrit oder Siliziumcarbit genannt. Für tiefere Temperaturen im Bereich von 250°C können auch andere elektrisch isolierende Keramiken wie zum Beispiel Aluminiumoxid verwendet werden. Diese Hochleistungskeramiken sind aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrer Wärmeausdehnungszahl, ihrer zulässigen Oberflächenbelastung und ihres spezifischen elektrischen Widerstandes zur Verwendung als Kochplatten besonders geeignet. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien liegt in einem mittleren Bereich zwischen 4-50W/mK. Es wurde festgestellt, daß mit derartigen mittleren Wärmeleitfähigkeiten ein guter Kompromiß zwischen der Wärmeisolierung gegenüber dem Gehäuse und der Wärmedurchführung gegenüber dem Heizelement erzielt werden kann. Gleichzeitig ist die Wärmeausdehnungszahl derartiger Hochleistungskeramiken sehr gering und liegt im Bereich von 10^-61/K, so daß die Verspannungen und Verkrümmungen der Hochleistungskeramik aufgrund unterschiedlicher Erwärmung gering bleiben. Der spezifische elektrische Widerstand der verwendeten Hochleistungskeramiken liegt im Bereich von 10¹³ Ohm/cm und ist damit so hoch, daß unmittelbar auf der Unterseite der Kochplatte entsprechende elektrische Heizleiter aufgebracht werden können.

Ausgehend von einem mit einem Metallrohr aufgebauten elektrischen Durchlauferhitzer ist es Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Durchlauferhitzer mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß mindestens ein Teil der Wandung der Heizkammer aus einer Hochleistungskeramik besteht und daß außerhalb der Heizkammer ein Heizleiter vorgesehen ist, der mit der Außenseite der Hochleistungskeramik einen Flächenkontakt bildet.

Aufgrund des direkten Kontaktes des Heizleiters gegenüber der Hochleistungskeramik wird ein hoher Wirkungsgrad des Durchlauferhitzers erzielt, da sich zwischen dem Heizleiter und der Hochleistungskeramik nur ein geringer Temperaturunterschied ausbildet. Gleichzeitig werden damit lokale Überhitzungen an dem Durchlauferhitzer vermieden, die insbesondere bei Wärmeträgerölen zu einer Zersetzung des Öls führen können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Durchlauferhitzers besteht darin, daß dieser eine geringe Baugröße aufweist, da wegen der vorteilhaften Eigenschaften der Hochleistungskeramik eine hohe Leistungsdichte bei niedrigem Temperaturniveau des Heizleiters erreicht werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Heizkammer ein Innenrohr aus Hochleistungskeramik mit einer umgebenden Isolationsschicht ist, wobei zwischen der Isolationsschicht und dem Innenrohr der Heizleiter eingebracht ist. Die Ausbildung der Heizkammer in Form einer rohrförmigen Hochleistungskeramik hat den Vorteil, daß die zu erhitzende Flüssigkeit allseitig von einer Heizkammerwandung umgeben ist. Auf diese Weise ist eine besonders platzsparende Ausbildung des Durchlauferhitzers möglich.

Da die Fertigung von plattenförmigen Hochleistungskeramiken allerdings kostengünstiger ist, ist es ebenso möglich, daß mindestens eine Wandung der Heizkammer aus einer Platte aus Hochleistungskeramik besteht, die auf der Außenseite durch eine Isolationsschicht abgedeckt ist, wobei zwischen der Isolationsschicht und dem Innenrohr der Heizleiter eingebracht ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß zwei parallele Wandungen der Heizkammer jeweils aus einer Platte aus Hochleistungskeramik bestehen. Auf diese Weise kann ein kostengünstiger Durchlauferhitzer geschaffen werden, mit dem annähernd die gleich installierte Leistung bezogen auf die Baugröße gegenüber dem Durchlauferhitzer mit Innenrohr erreicht werden kann.

Die als Hochleistungskeramiken verwendeten Keramiken sind vorzugsweise Siliziumnitrit, Siliziumcarbit oder Aluminiumnitrit. Diese Keramiken weisen die oben erwähnten Vorteile von Hochleistungskeramiken auf.

Hinsichtlich der Ausbildung des Heizleiters kommen verschiedene Ausführungen in Betracht. Eine Möglichkeit besteht darin, daß der Heizleiter aus einer Metallfolie besteht, die mittels einer Isolierschicht auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik gedrückt wird. Eine meanderförmige Form des Heizleiters kann dabei dadurch gebildet werden, indem der Heizleiter aus einer Metallfolie mit einem geeigneten Schneidgerät, zum Beispiel mit einem Laserschneidgerät, ausgeschnitten wird.

Andere Möglichkeiten zur Ausbildung des Heizleiters bestehen darin, Widerstandsschichten bzw. Metallschichten in Dickschichttechnologie oder Dünnschichttechnologie auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik aufzubringen. Ferner können auch Flammenspritzverfahren angewandt werden, mit denen eine Zwischenschicht aus einem als Haftvermittler und/oder elektrische Isolation dienenden Material aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann Aluminiumoxid als elektrische Isolation aufgespritzt werden, was insbesondere dann notwendig ist, wenn eine elektrisch leitfähige Hochleistungskeramik, wie beispielsweise Siliziumcarbit, verwendet wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Heizleiter in Form einer Widerstandspaste direkt oder mittels Haftvermittler auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik aufzubringen. Hierbei eigenen sich insbesondere Widerstandspasten bzw. Heizwiderstände mit sogenannter PTC-Charakteristik, d. h. mit einer ausgeprägt positiven Temperaturcharakteristik ihres Widerstandes. Die PTC-Charakteristik führt dazu, daß bei Erreichen einer bestimmten Temperatur sich der Widerstand des jeweiligen Heizwiderstandes sprunghaft erhöht, so daß in diesem Bereich die Temperatur bzw. die in dem Heizwiderstand umgesetzte Leistung konstant bleibt. Vorzugsweise wird die entsprechende Sprungtemperatur des Heizwiderstandes dabei auf die Maximaltemperatur eingestellt, die an der Hochleistungskeramik auftreten soll.

Unabhängig von dem Material des Heizleiters ist der Verlauf des Heizleiters auf der Hochleistungskeramik zweckmäßigerweise meanderförmig ausgebildet. In Abhängigkeit von der Breite, der Dicke, der sich über die Hochleistungskeramik erstreckende Länge des Heizleiters sowie des verwendeten Materials läßt sich der präsentierende Widerstand des Heizleiters einstellen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die die Heizkammer umgebende Isolationsschicht von einem Gehäuse umgeben ist. Für den Fall, daß der Heizleiter aus einer Metallfolie besteht, kann das Gehäuse gegenüber der Heizkammer derart verspannt sein, daß die Metallfolie in geeigneter Weise auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik gedrückt wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß auf der Hochleistungskeramik ein Temperatursensor aufgebracht ist, der mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der gemessenen Temperatur verbunden ist. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der Hochleistungskeramik läßt sich eine effektive und einfache Regelung der Temperatur an der Hochleistungskeramik erzielen, da nur eine geringe Zeit zwischen der Leistungserhöhung am Heizleiter und der daraus resultierenden Temperaturerhöhung an der Hochleistungskeramik vorliegt.

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Teil der Wandung der Heizkammer des elektrischen Durchlauferhitzers, der aus Hochleistungskeramik besteht, folgendermaßen hergestellt werden. Die formbare Keramikausgangsmasse wird durch Spritzgießen in die gewünschte Form gebracht. Dieser so gebildete Grünkörper wird dann in an sich bekannter Weise zur Hochleistungskeramik weiterverarbeitet. Das Spritzgießen zur Formgebung des Grünkörpers bietet sich insbesondere bei der Bildung kurzer Innenrohre an. Soweit es sich um Grünkörper in der Form längerer Rohre handelt, hat sich eine Formung der formbaren Ausgangsmasse durch Extrudieren als besonders vorteilhaft erwiesen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die aus einer Figur bestehende Zeichnung zeigt dabei einen Querschnitt durch einen rohrförmigen Durchlauferhitzer.

Das Innenrohr 1 des Durchlauferhitzers besteht aus einer Siliziumnitrit-Hochleistungskeramik. Das Innenrohr 1 ist von einer Isolationsschicht 3 umgeben, die wiederum von einem geeignet ausgestalteten Gehäuse 4 gegen die Außenwandung des Innenrohrs 1 gedrückt wird. Zwischen dem Innenrohr 1 und der Isolationsschicht 3 befindet sich ein Heizleiter 2, der meanderförmig auf die Außenwandung des Innenrohrs in Form einer Widerstandspaste aufgebracht ist. Die Widerstandspaste weist eine PTC-Charakteristik auf, die dazu führt, daß bei Erreichen einer bestimmten Temperatur sich der Widerstand des jeweiligen Heizwiderstandes sprunghaft erhöht. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß sich die Hochleistungskeramik nicht in unzulässiger Weise überhitzt. Das Innenrohr 1 weist einen Zufluß 5 und einen Abfluß 6 für eine zu erhitzende Flüssigkeit auf Mit der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit kann ebenfalls die auf die Flüssigkeit übertragene Leistung variiert werden. Soweit erforderlich, können statt Flüssigkeiten zu erwärmende Gase durch den Durchlauferhitzer durchgeleitet werden.

Claims

Elektrischer Durchlauferhitzer

mit einer Heizkammer, die einen Zufluß und einen Abfluß für eine zu erhitzende Flüssigkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Teil der Wandung der Heizkammer aus einer Hochleistungskeramik besteht und
daß außerhalb der Heizkammer ein Heizleiter vorgesehen ist, der mit der Außenseite der Hochleistungskeramik einen Flächenkontakt bildet.
Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer ein Innenrohr aus Hochleistungskeramik mit einer umgebenden Isolationsschicht ist, wobei zwischen der Isolationsschicht und dem Innenrohr der Heizleiter eingebracht ist.
Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wandung der Heizkammer aus einer Platte aus Hochleistungskeramik besteht, die auf der Außenseite durch eine Isolationsschicht abgedeckt ist, wobei zwischen der Isolationsschicht und dem Innenrohr der Heizleiter eingebracht ist.
Durchlauferhitzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Wandungen der Heizkammer jeweils aus einer Platte aus Hochleistungskeramik bestehen.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungskeramik aus Siliziumnitrit, aus Siliziumcarbit oder aus Aluminiumnitrit besteht.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einer auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik aufgedampften Metallschicht besteht.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einer Metallfolie besteht, die mittels der Isolationsschicht auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik gedrückt wird.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einer Widerstandspaste besteht, die direkt oder mittels Haftvermittler auf die Außenwandung der Hochleistungskeramik aufgebracht ist.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter einen meanderförmigen Verlauf aufweist.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht von einem Gehäuse umgeben ist.
Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hochleistungskeramik ein Temperatursensor aufgebracht ist, der mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der gemessenen Temperatur verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Durchlauferhitzers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung des Grünkörpers, der den Teil der Wandung der Heizkammer bilden soll, der aus Hochleistungskeramik besteht, ausgehend von einer formbaren Ausgangsmasse durch Spritzgießen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Durchlauferhitzers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung des Grünkörpers, der den Teil der Wandung der Heizkammer bilden soll, der aus Hochleistungskeramik besteht, ausgehend von einer formbaren Ausgangsmasse durch Extrudieren erfolgt.