EP1672958B1 - Thickfilm heating tube - Google Patents

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EP1672958B1
EP1672958B1 EP05027516A EP05027516A EP1672958B1 EP 1672958 B1 EP1672958 B1 EP 1672958B1 EP 05027516 A EP05027516 A EP 05027516A EP 05027516 A EP05027516 A EP 05027516A EP 1672958 B1 EP1672958 B1 EP 1672958B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
heating
heating apparatus
dielectric layer
medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP05027516A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1672958A3 (en
EP1672958A2 (en
Inventor
Martin Wallinger
Andreas Pleschinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bleckmann GmbH and Co KG
Original Assignee
Bleckmann GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bleckmann GmbH and Co KG filed Critical Bleckmann GmbH and Co KG
Publication of EP1672958A2 publication Critical patent/EP1672958A2/en
Publication of EP1672958A3 publication Critical patent/EP1672958A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1672958B1 publication Critical patent/EP1672958B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/78Heating arrangements specially adapted for immersion heating
    • H05B3/82Fixedly-mounted immersion heaters
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/46Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/013Heaters using resistive films or coatings
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/017Manufacturing methods or apparatus for heaters

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical heating devices, namely heating devices for heating liquid or gaseous media, in particular a thick-film pipe heater gem.
  • Another aspect is the modern detergents which contain not only "wash-active substances" such as soap, anionic and non-ionic surfactants.
  • the major contributors include water softening aids such as zeolites, foam regulators, bleaches, and fillers. Enzymes are present in almost all detergents, so proteases, lipases and amylases promote soil removal, cellulases cleave cellulose chains and serve to remove split fibers from tissue to be cleaned. Therefore, the outer surface of the heating elements in contact with the medium to be heated are exposed to thermal and strong chemical stresses in addition to the thermal. Thus, this outer surface should have corresponding material properties.
  • the chemical resistance with respect to the pH value of the washing solutions used should range from a pH of 5 to 10, since the detergent used, in particular by the use of acids in rinse aids, the pH value in the acidic Move the area.
  • the Fig. 1 shows an example z. B. from the EP 0 551 914 B1 Known heating module 100 with a pipe heater 110 of the prior art, as it is currently used in the aforementioned household electrical appliances.
  • the tubular heating element 110 consists in principle of a corrosion-resistant tube 111 with two ends 112, 114, in which in the interior 116 in an insulating material z. B. magnesium oxide - as a filler and for electrical insulation - embedded high-resistance heating wire, ie the heating element are included.
  • the tube 111 serves essentially to protect this electrically insulating filler and the heating conductor relative to the heated and for heat to the medium to be heated.
  • the heating conductor can be contacted from the outside via electrical connections 122, 124 at the respective pipe ends 112, 124, wherein the electrical connections 122, 124 are insulated from the pipe 111 by means of seals 132, 134 and the pipe is sealed to the outside.
  • a tubular heating element with printed electrical resistors which are encased by one or more layers of dielectric material and arranged on a tubular base body and electrically connected to each other.
  • the printed resistor is enveloped by the layer or layers of dielectric material.
  • an outermost layer is configured as an outer abrasion resistant sheath, e.g. B. in the form of a protective sheath of a metallic, tubular sacrificial or protective element.
  • tubular heating elements of the prior art A disadvantage of tubular heating elements of the prior art is that very many production steps are required during their production. Also, the arrangement of the heating conductor, the filler with which the heating element is isolated from the (protective) tube and secured, thermally not optimal, since relatively large thermal masses are to be heated; This is especially evident in the thermal reaction time of such tubular heating elements. Also, it is not possible in the pipe heating elements described above to integrate a temperature sensor for detecting the temperature of the medium to be heated in the pipe heater. Finally, due to the construction of the known heating module, much volume of the medium to be heated is displaced.
  • the invention has for its object to provide a heater that allows a fast heat transfer to the medium to be heated with a high efficiency, the heater with the same heating capacity as less volume of the medium to be heated to displace as a conventional pipe heater.
  • the electric heating device for heating a liquid medium has a main body or base carrier, also called a substrate.
  • a main body or base carrier also called a substrate.
  • a basic body are in principle all conceivable geometric shapes, depending on application requirements conceivable.
  • At least on one surface of the base body at least one heating conductor in the form of a structured resistance heating conductor layer is arranged in a heating region of the heater, which serves to convert electrical energy into heat and has at least two electrical connections which are made and contactable in a connection region of the heating device.
  • a dielectric layer is arranged between the base body and the Schuleiter Anlagen a dielectric layer is arranged.
  • At least one cover layer electrically insulates the heater trace from the medium, wherein the heater is coated at least in the heating region such that pores in the heat conductor layer and in the dielectric layer are openly sealed to the media, i. penetration or diffusion of the liquid medium into the dielectric layer or heat conductor layer is prevented. Further, the surface of the heater has at least in the heating area against the medium non-stick or anti-soiling properties.
  • the base body is a tube closed at least in the area of a first pipe end, that is to say a tubular base body.
  • this tubular base body has a heating area which can be brought into contact with the medium to be heated and which is provided with a multiplicity of flow openings in a further development.
  • the functional layers namely the dielectric layer, the at least one Schuleiterbahn in the form of the patterned resistance Bankleiter Mrs and the cover layer are provided.
  • the embodiment of the heating device according to the invention with an open tube end on the part of the body with the heating area offers, for example, the possibility to connect a pump with which the circulation of the medium to be heated along the inner surface can be additionally increased by supply or by suction. This is not possible with the tubular heaters described above. In this context, it should be noted that it is also possible to close the tubular body at both ends of the pipe.
  • flow openings in the base body can have all possible shapes, but they are preferably designed as round holes or elongated holes.
  • the flow openings are particularly preferably distributed at regular intervals over the entire heating area. Due to these flow openings, the heater is then in the heating area when used according to the invention - except for the connection area - completely with the entire surface, d. H. the inner surface and the outer surface of the tubular body, with the liquid medium to be heated in direct contact, i. the heating area is submerged or immersed in the medium; this is the case in the connection area only for the inner surface.
  • a faster heat transfer to the medium is achieved, and the efficiency of the heater over the conventional tubular heaters is further improved.
  • material stresses due to the thermal expansion of the individual materials are significantly reduced or avoided by the good heat dissipation over the entire heating area in the heating device.
  • the production is simplified considerably. Further advantages include the material savings by, for example, the elimination of the filler and the associated weight reduction, but also the significantly faster thermal reaction time due to the significantly reduced thermal masses. In addition, a "dry" connection area can be ensured without much effort during operation.
  • heat conductor layer With regard to the heat conductor layer, it should be noted that good results have been achieved with metal, metal alloy, eg Kanthal or Nikrothal, but also with ceramic-metal composites, so-called composites. Particularly suitable for this purpose are thermally sprayed or cold-gas-sprayed metals or metal alloys.
  • a sol is a colloidal solution with very small, finely divided, freely mobile particles, e.g. Graphite, nickel, silver.
  • the sol gels to sol-gel the particles approach each other and form a three-dimensional network. Further heating enhances cross-linking. After cooling, the network is permanent.
  • resistance heating elements can be provided both on the inside and on the outside of the main body of the heating device according to the invention.
  • Another advantage of the construction of the heating device according to the invention is that very simply one or more electrical sensor elements of various functions can be provided in addition.
  • a sensor element can be arranged in isolation on a surface of the base body, wherein its electrical connections are preferably also arranged in the connection area and can be contacted.
  • the sensor element can be a very wide variety of sensor types which can be used to monitor the heating device or the heating process or the medium to be heated.
  • a temperature sensor can serve for the control and / or thermal monitoring and protection of the resistance heating element. Basically, however, it is also possible to perform the function of monitoring the medium to be heated and the thermal monitoring and protection of the resistance heating element by two or more different sensor elements. It should be noted in particular that the position of a corresponding temperature sensor is crucial, in particular for the precise and reliable control or regulation of a heating element.
  • a sensor element may be a temperature sensor which is located directly next to or on the at least one heating conductor track and from this and optionally is arranged electrically isolated and sealed against the medium.
  • the heating device according to the invention it is possible in the heating device according to the invention, almost ideal to realize a thermal monitoring of the heating element and / or detection of the medium temperature.
  • the corresponding temperature sensor can be arranged almost directly at the respectively relevant measuring location, ie directly on or next to the heating conductor or in direct or indirect thermal contact with the medium. This can advantageously be almost excluded thermal overloading of the heating element.
  • the provision of the temperature sensor required for this purpose is much easier to implement than would be possible with a conventional tubular heater.
  • the temperature sensor is arranged on the base body in the heating region, it being possible for the temperature sensor to be arranged either on the inner surface or on the outer surface in the case of the tube version. This is particularly contrary to the desire to be able to capture the temperature of the medium to be heated as directly as possible. In the above-described conventional tubular heater this is not possible.
  • one or another sensor element can be a securing element for securing the heating device.
  • a fuse element for example, interrupt the heating element in a fault or fault, such as a dry run of the heater, interrupt.
  • the hedge may consist in a thermal protection but also in an electrical fuse of the heating element.
  • the temperature of the heating element is monitored by means of a corresponding temperature sensor and the heating current is interrupted or regulated accordingly.
  • the heating current is monitored and interrupted, limited or regulated when a certain value is exceeded.
  • the structure of the heater the use of sensor elements in the form of an SMD component (SMD, surface mounted device) allows.
  • SMD surface mounted device
  • These can be arranged almost at any desired location on the heating device, ie both in the heating area, which is in “wet” area with the medium to be heated in contact and in the connection area, as a “dry” area in the built-in heater in a tub outside, that is shielded from the medium to be heated.
  • a tubular base body also allows a reliable detection of the medium temperature even directly in the connection region arranged there, since the inner surface of the base body is in contact here with the medium.
  • a sensor element arranged there does not have to be sealed off or insulated from the medium.
  • the heating device with a temperature sensor for monitoring or recording the medium temperature in the way to arrange a commercial NTC or PTC element with a sleeve, such as a metal sleeve made of chrome-nickel steel, in the closed end of the tubular body ,
  • a sleeve such as a metal sleeve made of chrome-nickel steel
  • this pipe end can be particularly easily closed by the sleeve of the temperature sensor is used as a lid, which, for example, when the tubular body and the sleeve are made of metal, can be materially connected by welding with the base body made of metal.
  • the temperature sensor is particularly advantageous with the medium to be heated in direct contact.
  • sensors for other physical measured variables can also be used as sensor elements at the above positions, such as, for example, a pressure sensor or a sensor for detecting the pH, etc.
  • any material with good thermal conductivity and at the same time sufficiently high melting point or a small coefficient of thermal expansion is suitable for the main body.
  • An austenitic or a ferritic or duplex stainless steel is preferred for the main body, but also Non-ferrous metals such as aluminum, aluminum alloys, copper, copper alloys are suitable.
  • carbon steel for example cold rolled steel.
  • the base body can also be made of a ceramic, glass or a metal-ceramic composite, such as a metal matrix composite or cermet.
  • a dielectric layer as a first covering layer with a thermal spraying method is for electrical insulation directly on the base body.
  • Ceramic layers preferably of aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, chromium oxide, glass frit such as borosilicate or a mixture thereof, have proven to be suitable for this purpose.
  • an enamel layer or glass layer is suitable as the first cover layer.
  • the dielectric layer can also be applied by means of the abovementioned sol-gel method, silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide and aluminum oxide sol gels having proven particularly suitable.
  • the dielectric layer and the resistance-Heizleiter für when generated by a thermal spraying method such as atmospheric plasma spraying (APS), high velocity flame spraying (HVOF), powder flame spraying, arc and cold gas spraying or by means of a sol-gel process particularly good mechanical properties exhibit.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • HVOF high velocity flame spraying
  • powder flame spraying powder flame spraying
  • arc and cold gas spraying or by means of a sol-gel process particularly good mechanical properties exhibit.
  • the heater is therefore at least in the heating area, d. H. in the wet area, provided with an applied medium-tight and electrically insulating cover layer.
  • This layer should have a thermal conductivity in the range of 1 to 50 W / mK.
  • this covering layer can of course also be composed of several layers, one of which is required in each case Functions “electrically isolating", “against the medium to be heated caulking or sealing” and has an “anti-Soiling property”.
  • nanocomposite coatings such as organic paints or coatings with inorganic-organic polymer matrix with incorporated inorganic particles, siloxanes and silicone oils. These materials penetrate into the pores of the porous layers and seal them against the penetration of the liquid to be heated medium, such as water.
  • the outer surface is equipped with the non-stick or anti-soiling properties.
  • the topcoat is designed so that neither lime nor other organic substances can deposit on the heater in the heating area. This ensures a constant and uniform heat transfer from the heating to the medium via the heating area.
  • the sealing or pore-sealing cover layer itself already has anti-soiling properties.
  • the covering layer can be, for example, a nanostructured protective layer, for which nanostructured materials or material combinations are preferably used.
  • a single layer embodiment of the cover layer i.
  • Pore sealing, electrical insulation and anti-soiling property for example, a hybrid polymer, which is applied as a sol-gel coating, for example, with a hybrid polymer with an inorganic-organic polymer matrix, is suitable. Namely, the hybrid polymer is thin enough to penetrate into the open pores of the porous layers and additionally forms a dense film on the surface by crosslinking.
  • the hydrophobic sol-gel surfaces are not only dirt repellent, they also increase the corrosion resistance of the coated resistive heat conductor layer.
  • topcoat In the case of a cover layer in multilayer design, silicones or modified silicones, polyimides, polyamideimide, polyesterimides or modified polyesterimides have proven suitable for the topcoat. But also glass or ceramic layers by means of screen printing or spraying followed by Drying and baking are applied. An important feature of the topcoat here is still to prevent outgassing of the covering layer which seals the pores in the dielectric layer and the resistance heating conductor layer.
  • both the dielectric layer and the cover layer of enamel or glass since both requirements are met by these substances in terms of the necessary electrical insulation and the seal against the medium to be heated.
  • the base body can be made from inexpensive cold rolled steel as the starting material.
  • Hotspots to be considered in this context during operation sites are considered in a heater where sometimes significant excess temperatures occur. Such hotspots can occur due to local external contamination, but also due to the design caused at certain points of the heating element. For example, in the connection region of the heating device, it is not desirable for the heating conductor to convert electrical energy into heat there. But even at so-called reversal points of the heating element, which are necessary at least once at the open end of the pipe, the occurrence of such local overheating was found.
  • the Schuleiterbahn are set at reversal points and in the connection area with respect to the remaining Schuleiterbahn that they have a lower resistivity at such locations.
  • This can be achieved in principle by increasing the effective heating conductor cross section at reversal points or in the connection region, for example by providing more heating conductor material.
  • the Schuleiterbahn at the reversal points or in the connection area of a resistive material having a higher conductivity than the remaining Schuleiterbahn or provided there on the Schuleiterbahn an additional Schuleitermaterial with a lower electrical resistance or is applied.
  • thermally sprayed or cold-gas sprayed metals or metal alloys preference is given to using thermally sprayed or cold-gas sprayed metals or metal alloys, but also thick-film pastes, such as silver / palladium pastes, or electrically conductive polymers, such as silver-filled epoxide.
  • connection region it should be noted that if the connections and optionally the part of the heating conductors have a lower electrical resistance from the connection region to the heating region of the at least one heating element than the remaining part of the resistance heating element, the connection region of the heating device according to the invention thereby forms a "cold zone". represents, d. H. a zone in which almost no heat is dissipated by the heating element. This additionally ensures that when the medium temperature in the connection area is detected, it can be measured correctly and is not falsified by heat from the heating conductor.
  • a high-voltage resistance of at least 1250VAC, preferably 3750VAC, a maximum leakage current of 0.75mA, preferably 0 , 25mA, a chemical stability to the medium in a PH range of 5 to 10, preferably 7 to 10 and a thermal conductivity of at least 1 W / mK, preferably from 10 to 50W / mK can be achieved.
  • a development of the heating device according to the invention consists in the integration of a heating device according to the invention or several heating devices according to the invention in a heating module, wherein substantially between the connection area and the heating area on the one or more heating devices arranged in parallel to a running around the body seal to seal a mounting hole For the heating module is arranged.
  • a seal can be embodied, for example, as a conical seal, which is injection-molded directly onto the heating device, for example with a material suitable for a seal, with simultaneous corresponding shaping. This ensures a seal between the heating area and the connection area at the same time.
  • a refinement of the heating module consisting of providing a flange assembly with standard dimensions instead of the above-mentioned seal.
  • a flange assembly then essentially comprises at least one flange, a clamping piece and a seal arranged between flange and clamping piece, wherein the at least one heating devices are fixed to the flange or the clamping piece and the seal is arranged between the connection region and the heating region.
  • connection plug part which for example offers a standardized plug connection, can be provided.
  • the method for producing a heating device of the invention basically consists of the following steps: producing a basic body; Applying a first electrically insulating dielectric layer to the base body using one of the above-mentioned thermal spraying methods; Applying at least one structured heating conductor layer to the dielectric layer by one of the above-mentioned thermal spraying methods; and applying an electrically insulating, medium-tight and non-stick properties covering layer on the heater at least in the heating region, wherein pores in the dielectric layer and the Kleinleitertik are sealed medium-tight.
  • the step of applying an electrically insulating, medium-tight and non-stick properties having cover layer can be performed in addition to a single-layer embodiment of the following intermediate steps as a two-layer design with the following steps: applying at least in the heating of a first the pores in the dielectric layer and the heat conductor layer medium-tight sealing sealant layer; and applying at least in the heating region a second nanostructured anti-soiling layer over the cover layer.
  • the nanostructured anti-soiling layer has to electrically isolate the properties from the medium.
  • a step may additionally be provided for producing expansion joints in the dielectric layer next to and / or between heating conductor tracks in the structured heating conductor layer.
  • the dielectric layer is applied by means of one of the abovementioned methods, preferably by means of thermal spraying or cold gas spraying.
  • the heating conductor layer is applied by means of one of the abovementioned methods, preferably by means of a thermal or a cold spraying method. It is possible by laser structuring, water jet cutting, laser micro jet method, sandblasting, etching, milling or grinding of the entire surface applied Edelleiter für to give the desired Schuleiter Modell, whereby different temperature ranges can be created, but also the electrical heating of the heater can be set at a given supply voltage can.
  • heating conductor structure by a stencil technique.
  • a template made of a non-stick material on the dielectric layer is applied (laminated or screen printed) and then applied the Schuleitertik. After applying the heat conductor layer, the template is then removed again.
  • heating conductor structures have become also successfully produced by direct structured coating with a fine coating jet.
  • Fig. 2a shows a plan view of an embodiment of a thick-film heater according to the invention, which is designed as a thick-film pipe heater 200.
  • a tubular body 201 with an open tube end 202 and a closed tube end 204 which is closed by a cover 206.
  • the thick-film pipe heater 200 is shown schematically in a mounting position in a tub wall 210.
  • a seal 220 in the form of a conical seal is sprayed onto the thick-layer tube heater 200.
  • the connection area thus lies on the dry side of the tub and extends from the closed tube end 204 to the tub wall 210 defined plane.
  • the heating area of the thick-film pipe heater 200 lies on the right-hand side of the tub wall 210 in the so-called wet area, ie is in direct contact with the medium to be heated during operation.
  • the heating area extends approximately from the tub wall 210 to the open tube end 202.
  • flow openings 230 which are arranged regularly spaced from each other over the entire heating area.
  • the flow openings 230 here have the shape of oblong holes, which are formed obliquely to a vertical pipe cross-section with an angle ⁇ in the base body 201 of the thick-film pipe heater 200.
  • the heating element 240 is applied to the base body 201, which extends bifilar guided over the entire heating area.
  • connection area electrical connections 252 and 254 for the heating conductor 240 are arranged. It should be noted that, as mentioned above, the electrical connections 252, 254 are made by using a material with a lower electrical resistance or by applying additional interconnect material compared to the remaining heating conductor 240 as so-called cold connections. Furthermore, a temperature sensor 260 for detecting the temperature of the medium to be heated is provided in the connection region. It should be noted that the electrical connections of the temperature sensor 260 in the Fig. 2a can not be seen, but these are basically designed similar to the electrical connections or interconnects of the heat conductor 240th
  • Fig. 2b shows a sectional view of the thick film tube heater 200 of the Fig. 2a .
  • Fig. 2b shows a sectional view of the thick film tube heater 200 of the Fig. 2a
  • Fig. 2b shows a sectional view of the thick film tube heater 200 of the Fig. 2a
  • the medium to be heated is also in the connection area on the inner surface 214 with the main body 201 of the thick-film tube heater 200 in contact and thus detected in the connection area by means of the temperature sensor 260 very accurately and unadulterated by the heating effect of the heating can be.
  • Fig. 2b Clearly visible in the Fig. 2b is also the embodiment of the conical seal 220, which can be formed, for example, at the end of the production of the thick-film tube heater 200 according to the invention between the connection area and heating area outside by means of a spraying process.
  • This embodiment ensures a simple sealing of the connection area with the medium at the transition between the outer surface 212 and the seal 220, and secondly, the thick-layer tube heater 200, together with the seal 220, forms a heating module which is at the place of intended use Use very easy to install.
  • the Fig. 3a shows a side view of a second embodiment of the invention.
  • the main difference in the Fig. 3a illustrated thick-film pipe heater 300 opposite to in the Fig. 2a and 2b illustrated thick-film tube heater 200 consists in the integration of a temperature sensor 360 ( Fig. 3b ) at the closed tube end 304 of the tubular Grundko body 301.
  • a temperature sensor 360 Fig. 3b
  • the cover 206 in the Fig. 2a and 2b is in the embodiment of the thick film tube heater 300 in the Fig. 3a closed the tube end 304 by integration of the temperature sensor 360 in this pipe end 304.
  • a commercially available NTC / PTC element in a metal sleeve for.
  • As a chromium-nickel steel sleeve are used, wherein the steel sleeve also acts as a housing for the sensor as well as a lid for the tubular body 301 at the closed end of the pipe 304.
  • a commercially available temperature sensor with a plug connection 362 for example in the form of a so-called RAST housing, can be used here.
  • Fig. 3b is the section marked with the dotted circle D of Fig. 3a shown as a detail section.
  • the integration of the temperature sensor 360 can be seen with a sleeve in the tubular body 301.
  • the sleeve of the temperature sensor 360 can, for example, be connected in a form-fitting manner to the tubular base body 301 by welding at the pipe edge 308.
  • the thick-film tube heater 300 according to the invention thus a very accurate temperature monitoring of the medium to be heated can be guaranteed because, as in the detail section D of Fig. 3b clearly visible, the sleeve of the temperature sensor 360 with the medium to be heated facing the outside 364 is almost completely in contact.
  • FIG. 4 a plan view of a heating module with two thick-film tube heaters 401 and 402 according to the invention is shown, the structure of which substantially the thick-film tube heater 200 of the Fig. 2a and 2b respectively. That in the Fig. 4 Heating module 400 shown is an example of how several of the thick-film pipe heaters according to the invention can be integrated particularly simple and advantageous parallel to each other in a heating module.
  • the individual thick-film pipe heaters 401, 402 can be connected both electrically in parallel and in series, depending on the requirements of the respective field of use.
  • the heating module 400 has a seal 420 for installation in a tub wall 410, which in turn is arranged between the connection area and the heating area of the respective thick-film tube heaters 401, 402.
  • the seal 420 is essentially again a conical seal, which allows a particularly simple installation in the tub wall 410.
  • a so-called RAST housing 430 with two plug connections 432, 434 between the two thick-film tube heaters 401, 402 is provided in this embodiment.
  • the thick-film tube heaters according to the invention can of course also be integrated with a corresponding flange assembly into a heating module , wherein the outer dimensions of the flange assembly are then adapted to this quasi-standard of the household appliance industry.
  • This has the advantage that manufacturers of the household appliance industry, who want to use these new heating elements, do not adapt the installation openings on their devices or have to change.
  • the old technology of tubular heating elements can be replaced without problems and without any time or development effort against the new technology according to the present invention.
  • FIGS Fig. 5a and 5b An example of a heating module 500 with standard flange assembly is shown in FIGS Fig. 5a and 5b shown.
  • Fig. 5a 2 shows a side view of the heating module 500 with a flange assembly 510, which consists essentially of a flange 512, a seal 514 and a clamping piece 516.
  • To the left of the flange assembly 510 is the mating portion of one of the two thick film tube heaters (FIG. Fig. 5b : 501, 502) of the heating module 500.
  • the connection area there are the two electrical connections 522, 524 and also the corresponding connections for a temperature sensor 530 provided in SMD design.
  • a connection lug 518 for connecting a protective conductor to the flange 512 can be seen.
  • a through hole is provided which extends through both the clamping piece 516, the seal 514 and the flange 512, through which through-hole a screw 542 is guided, which is pressed with a screw 543 in the clamping piece 516 and thereby against a rotation relative to the clamping piece 516 is secured.
  • the screw end 544 opposite the screw end 543 protrudes from the flange and is provided there with a nut 545.
  • the seal 514 swells at the periphery and seals against the mounting opening of the container (not shown). from. It should be noted that the flange assembly 510 is also designed this way may be that the clamping piece 516 is fixed to the thick-film tube heaters 501, 502 and the flange 512 remains movable.
  • a stainless steel pipe in particular of an austinitic or ferritic stainless steel, is particularly suitable because of its corrosion resistance.
  • a stainless steel pipe in particular of an austinitic or ferritic stainless steel, is particularly suitable because of its corrosion resistance.
  • Grundköper but basically any metal pipe can be used, in which optionally an additional corrosion protection is applied;
  • the tubular base body, or any other geometric base body is made of a cold strip steel section.
  • a tubular Grundköper from a flat strip of material, in which the flow openings are punched or are to produce, by winding and then form-fitting connection of the abutting edges.
  • This Grundköper is then closed at the pipe end to which the connection area is to be provided with a lid or, if provided in the pipe end, the installation of a temperature sensor with corresponding sleeve-shaped housing, left open. But it can also be attached at this point a corresponding sleeve, preferably made of the same material as the body, instead of the lid.
  • an additional preparatory method step may be inserted, which consists of suitably roughening the surface of the tubular base body by a radiating, etching or grinding process.
  • the base body Since the preferred material for the base body is a metal which is inherently electrically conductive, the base body must be electrically insulated from the heat conductor to be applied.
  • a first electrically insulating dielectric layer is applied to the base body substantially over the entire surface of the base body.
  • the dielectric layer is applied by means of one of the aforementioned methods.
  • an enamel or glass layer is also suitable.
  • expansion joints may be provided in the first cover layer at this point in the production process.
  • these expansion joints are arranged such that they are between and / or adjacent to those to be applied later Schuleiterbahnen lie.
  • the expansion joints may be produced by means of a water jet cutting process, laser ablation processes or other suitable mechanical processes such as grinding, milling, blasting (in stencil technology or directly applied). But also chemical processes, such as etching, can be used.
  • the dielectric layer is a porous layer, in particular a layer with open pores, in order to ensure a sufficient sealing, in particular of the end faces of the dielectric layer in relation to the medium to be heated in later use,
  • the area around the edges of the flow openings and at the pipe ends or the edges of the body should not be covered by the dielectric layer. This can be achieved by masking the slots or tube ends before applying the dielectric layer.
  • abrasive process abrasive process
  • any other suitable mechanical method such as grinding, milling or abrasive blasting using stencil technology or in direct application, can be used.
  • Even chemical ablation processes, such as etching are possible.
  • the heating conductor layer is applied to the tubular base body.
  • metals, metal alloys, ceramic-metal composites (so-called metal matrix composites or cermets) which are applied to the dielectric layer by means of one of the methods mentioned at the outset are suitable for the heating conductor layer.
  • Successful trials have also been undertaken by means of screen-printed and subsequently fired resistor pastes.
  • the heating element is preferably performed bifilar over the surface of the body and therefore a reversal point must be provided at the open end of the pipe.
  • the pores of the porous dielectric layer and the porous resistance Schuleiter Mrs are sealed by means of a single or multi-layer system and electrically isolated from the medium in operation during operation.
  • a sealing layer and the topcoat are applied in a two-layer process or a single layer which has all the required properties in a one-layer process.
  • a two-layer process is described by way of example: First, a covering layer is applied, for which in principle the materials described below or the respective application methods are suitable.
  • inorganic lacquers and lacquers with an organic-inorganic polymer matrix with embedded particles, such as nanocomposite lacquers can be used here. Silicones and silicone oils are also suitable for sealing the pores in the porous layers.
  • the heater is still provided with a topcoat, such as a nanostructured anti-soiling layer.
  • a topcoat such as a nanostructured anti-soiling layer.
  • the particularly advantageous effect of such a layer lies in the reduction of cooking noise or the prevention of limescale, ie lime deposits. Furthermore, these layers are particularly mechanically resistant.
  • Fig. 7a to Fig. 7d schematic detail views in each case of a section through the tube jacket 701 of the tubular base body and the functional layers, wherein in particular the open tube end 702 of the thick-film tube heater and the nearest flow opening 730 are shown.
  • the respectively in the Fig. 7a or 7b illustrated layer construction relates to the embodiment of a heating device of the invention, in which a corrosion-resistant material was used for the base body, such as an alloyed steel or a ceramic.
  • the basic body does not necessarily have to be completely sealed against the medium.
  • Fig. 7a is the material, eg. As glass or enamel, for the dielectric layer 710 for insulating the heating element 720 relative to the tube jacket 701 itself tightly against the medium to be heated. For this reason, the sealing of the end faces 712 at the pipe end 702 or at the flow openings 730 with respect to the medium can be dispensed with here.
  • the heating element 720 is electrically insulated from the medium to be heated by means of a cover layer 750 and sealed.
  • a cover of the end faces 712 of the dielectric layer 710 was additionally provided, because this here from a porous, ie not dense to the medium to be heated layer, as they arise just in thermally sprayed materials exists.
  • a cover layer 750 it may be ensured before applying the cover layer 750 by means of an abrasive process be removed that the dielectric layer 710 to the pipe jacket 701. This is possible, for example, by laser ablation, water jet cutting, etching, milling or abrasive blasting (with stencils or in direct method). This can be done simultaneously with the manufacture of expansion joints 740.
  • the respectively in the Fig. 7c or 7d shown layer structure relates to the execution of a heater of the invention, in which a corrosion-prone material was used for the body, such. As a carbon steel. Therefore, in these embodiments, the main body has been completely sealed off from the medium by the cover layer 750.
  • both the dielectric layer 710 and the second cap layer 750 are comprised of an enamel or a glass layer (not shown).
  • the covering layer 750 completely seals the main body 701, the dielectric layer 710 and the resistance heating conductor layer 720 to the outside and electrically isolates them.
  • a further embodiment for the layer structure of the thick film heater according to the invention is shown.
  • an adhesive layer 705 is provided between the surface of the main body 701 and the dielectric layer 710, which ensures improved adhesion of the functional layers on the main body 701.
  • the dielectric layer 710 is arranged, on which the heating conductors of the patterned resistance heating conductor layer 720 are located.
  • the layers 705, 710 and 720 were applied by a method in which the generated layers have a porous structure; which is desirable as explained above.
  • the open pores of these layers are closed by means of a seal 751, ie sealed against the liquid medium to be heated.
  • This seal 751 is in the Fig.
  • FIG. 7a to 7d also the cross section of Schuleiterumledgeuss 724 layer structure to recognize (in the Fig. 7a and 7d provided with reference numerals).
  • the two heating conductors 721, 722 leading to the heating conductor inversion point 724 can be seen, which are both connected to one another by interconnect material 727 (approximately the same layer thickness as the resistance heating conductor layer 720) and coated with an additional layer of conductor material 728.
  • interconnect material 727 approximately the same layer thickness as the resistance heating conductor layer 720
  • additional layer of conductor material 728 for example, a silver / palladium paste can be used in the production.
  • Another advantageous aspect of the thick-film heater according to the invention consists in the possibility of the electrical heat output during manufacture individually, d. H. z. B. according to the respective intended application or installation position in the application to be able to adapt.
  • two different approaches are available in the thick-film heater of the invention.
  • This structuring can be carried out by abrasive techniques, for example by laser structuring, water jet cutting, abrasive blasting, etching, milling and grinding.
  • a second possibility to adjust the electric power of the heating conductor is to apply the resistance heating conductor layer with the desired structure directly.
  • Template techniques are suitable for this purpose, in which, for example, a mask is applied to the first cover layer by applying an anti-sticking material by means of screen printing, in which case subsequently on the unmasked areas the Schuleitermaterial is applied.
  • the application width can be controlled, for example, via the variation of the distance of the jet nozzle from the first covering layer.
  • the electric power of the heater can also be adjusted by resistance trimming.
  • the electrical resistance and thus implemented in the Schuleiterbahn heat output is made by adjusting the Schuleiterbahnbreite or Schuleiterbahnêtêtêt.
  • the resistance trimming over the web width of the heat conductor can be performed as follows: First, the Schuleiterbahn is structured with a sufficient width and thickness on the prepared body, then the electrical resistance of the heating element is measured, from this, the current quotient of the resistivity of the heating element and the cross section and thus the currently required conductor track width are calculated. This calculated width is finally adjusted by appropriate removal of Bankleiterbahnmaterial.
  • the resistance trimming on the Schuleiterbahndicke is possible: Here, first, the Schuleiterbahn with a sufficient thickness and width on the structured basic body, then the electrical resistance of the heating element is measured and by so-called “micro forging" the Schuleiterober Designs without abrasive (abrasive) effect with simultaneous measurement of the current resistance, the desired electrical resistance is set.
  • the heating power should be able to be regulated in operation as a function of the desired temperature of the medium to be heated.
  • a monitoring of the Schuleitertemperatur should be done in order to detect abnormal operation and possibly interrupt the supply of electrical energy to the heating element.
  • a temperature sensor in SMD design at any desired location, d. H. in the dry or wet area be provided. At this point it should be pointed out again that this is conceivable both on the outer surface and the inner surface of the tubular body.
  • fuse elements can be provided to protect the heat conductor against overheating immediately next to or on an active Schuleiterbahn.
  • sensor components in SMD design are fundamentally suitable.
  • thick-film fuses can also be integrated at the respective desired location on the surface of the thick-film pipe heater in the above-described production process by means of screen printing or plasma spraying.
  • connection plug parts described above can be pushed onto the connection region of the pipe with correspondingly suitable contacting.
  • the temperature control or temperature monitoring and the line part can be performed separately or integrated in a male part.
  • Suitable methods for connecting the connections to the connection points on the thick-film tube heating are soldering, friction welding, Ultrasonic welding or laser welding. But a contact via suitable spring contacts is possible.
  • a heating module 800 with a thick film tube heater according to the invention in the Fig. 8 the main advantages resulting from the structure of the invention summarized. Shown is a heating module 800 with the tubular base body 801, which is divided functionally into the heating area 810 and the connection area 820. This results in the possibility of a simple installation of the heating module 800 by means of a seal 870 between the heating area 810 and the connection area 820. It has been shown that other standardized installation measures can be provided instead of the (cone) seal. At the right end of the heating area 810, in which the heating conductor 840 extends bifilarly over the tubular base body 801, there is the open tube end 802, in which the flow openings 830 can be seen.
  • the tubular design of the heating with the open tube end 802 and the flow openings 830 represents a significant advantage, since this type compared to the conventional tubular heaters, a reduction of the displaced volume of the medium to be heated of about 25% is achieved. In addition, a particularly effective heat transfer to the medium to be heated and thus a faster heating than conventional tubular heaters is achieved.
  • the tubular structure of the thick-film tube heater according to the invention is ideal for the direct integration of temperature sensor elements 862, 864 but also other sensors (pressure sensors, pollution sensors, etc.) in SMD design both within, ie in the heating area 810, as well as outside It is also advantageous that in the connection area at the closed pipe end 804 a connection housing 850 with RAST plugs 852, 854 can be provided in a particularly simple manner, which provides a simple and safe Connection of the heating conductor 840 and also the temperature sensor elements 862, 864, for temperature monitoring of the medium to be heated and for thermal protection or monitoring of the heating element Serve 640, allow.
  • the thick-film pipe heater according to the invention Due to the significant reduction in the components of the thick-film pipe heater compared to a conventional pipe heater - for example, shown in the Fig. 1 - A significant shorter production time is achieved. This leads to not inconsiderable cost savings on the part of the manufacturer and thus represents a significant competitive advantage.
  • the thick-film pipe heater according to the invention has a particularly effective protection against calcification and caking of organic substances due to the provided second and third cover layer, resulting in the reliability and Longevity of a thick-film pipe heater according to the invention significantly increased compared to the known tubular heaters.
  • the electric heating device has a main body, which may be provided in a heating area with a plurality of flow openings and in a development is a closed at least in the region of a first end tube. At least on one surface of the base body, the functional layers of the heating device are arranged, wherein at least one heating conductor is provided in the form of a structured thermally sprayed resistance Bankleitertik for converting electrical energy into heat with at least two electrical terminals that are designed and contacted in a terminal area, and there is a thermally sprayed dielectric layer between the heat conductor layer and the base body.
  • pores of the resistance heating conductor layer and the dielectric layer are sealed against the medium and the resistance heating conductor layer is electrically insulated from the medium, in particular the surface in contact with the liquid medium to be heated during operation has non-stick properties.

Abstract

Electrical heating device has heat conductive layer for converting electrical energy into heat and is located on surface of base plate within heating range in form of structured resistance heating conducting layer in connection area. In between the base plate and heat conducting layer, dielectric layer (710) is arranged. The resistance coating electrically isolates the heating conductor path with opposite dielectric layer. The heating device in the heating range is coated in such a manner that the open pores in heat conducting layer and opposite dielectric layer are sealed. The surface of heating device in the heating area opposite the medium possess anti-adhesive coating. An independent claim is also included for the method for producing heating device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet elektrischer Heizvorrichtungen, nämlich Heizvorrichtungen zum Erwärmen von flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere eine Dickschicht-Rohr-Heizung gem. Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 12 für eine solche Dickschicht-Rohr-Heizung.The present invention relates to the field of electrical heating devices, namely heating devices for heating liquid or gaseous media, in particular a thick-film pipe heater gem. Claim 1 and a manufacturing method according to claim 12 for such a thick-film pipe heater.

In elektrischen Haushaltsgeräten, insbesondere in solchen zum Waschen und Trocknen von Wäschestücken bzw. Geschirr, werden zum Erhitzen des Reinigungswassers elektrische Heizvorrichtungen verwendet. Bei der Entwicklung dieser Haushaltsgeräte wird angestrebt, einerseits den elektrischen Energiebedarf der Geräte zu senken, im Falle von Waschmaschinen beispielsweise durch Reduzierung der Wassermenge, andererseits sollen die Herstellkosten gering gehalten werden, dennoch aber eine niedrige Ausfallrate der Geräte während ihres Lebenszyklus gewährleistet werden. Schließlich ist eine kompakte Bauweise der Heizvorrichtung selbst wünschenswert, wobei zum einen eine Bauform mit möglichst geringem Raumbedarf bei geforderter Wärmeleistung und zum anderen die elektrischen Anschlüsse der Heizvorrichtung auf Grund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Beschädigungen besonders berücksichtigt werden sollen.In household electric appliances, especially those for washing and drying items of laundry or dishes, electric heaters are used to heat the cleaning water. In the development of these household appliances is aimed on the one hand to reduce the electrical energy consumption of the devices, in the case of washing machines, for example, by reducing the amount of water, on the other hand, the manufacturing costs should be kept low, but still ensure a low failure rate of the devices during their life cycle. Finally, a compact design of the heater itself is desirable, on the one hand a design with the least possible space required for heat output and on the other hand, the electrical connections of the heater due to their sensitivity to damage should be particularly considered.

Einen weiteren Aspekt stellen die modernen Waschmittel da, die nicht nur "waschaktive Substanzen" enthalten, wie Seife, anionische und nicht ionische Tenside. Den größeren Anteil machen Hilfsstoffe zur Wasserenthärtung, beispielsweise Zeolithe, Schaumregulatoren, Bleichmittel und Füllstoffe aus. In fast allen Waschmitteln sind Enzyme enthalten, so unterstützen Proteasen, Lipasen und Amylasen die Schmutzentfernung, Cellulasen spalten Zellulose-Ketten, und dienen der Entfernung abgespaltener Fasern aus zu reinigendem Gewebe. Daher sind die mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt stehende Außenfläche der Heizelemente neben den thermischen auch starken chemischen Belastungen ausgesetzt. Somit sollte diese Außenfläche entsprechende Materialeigenschaften besitzen. Hier wurden in der Vergangenheit zahlreiche Versuche mit Antihaft-Schutzschichten wie beispielsweise Teflon, Thermoplasten, Duroplasten oder Polypropylen unternommen, die jedoch zu keinen guten Ergebnissen geführt haben. So kann eine Teflonbeschichtung nicht wirksam den Ansatz von Kalk verhindern.Another aspect is the modern detergents which contain not only "wash-active substances" such as soap, anionic and non-ionic surfactants. The major contributors include water softening aids such as zeolites, foam regulators, bleaches, and fillers. Enzymes are present in almost all detergents, so proteases, lipases and amylases promote soil removal, cellulases cleave cellulose chains and serve to remove split fibers from tissue to be cleaned. Therefore, the outer surface of the heating elements in contact with the medium to be heated are exposed to thermal and strong chemical stresses in addition to the thermal. Thus, this outer surface should have corresponding material properties. In the past, numerous attempts have been made with non-stick protective layers such as Teflon, thermoplastics, thermosets or polypropylene, which, however, have not led to good results. Thus, a Teflon coating can not effectively prevent the buildup of lime.

Für den Einsatz in Wäschewaschmaschinen ist daher eine Stabilität gegenüber Laugen mit einem PH-Wert größer als 7 bis zu einem PH-Wert von 10 (leicht alkalisch), bei gleichzeitiger chemischer Resistenz gegenüber Oxidations- bzw. Bleichmitteln wie z. B. Wasserstoffperoxid oder Chlorbleichen notwendig. Für den Einsatz in Geschirrspülmaschinen sollte die chemische Beständigkeit hinsichtlich des PH-Wertes der eingesetzten Waschlösungen von einem PH-Wert von 5 bis 10 reichen, da die eingesetzten Spülmittel, insbesondere durch die Verwendung von Säuren in Klarspülern, den PH-Wert auch in den sauren Bereich verschieben können.For use in laundry washing machines is therefore a stability to alkalis with a pH greater than 7 to a pH of 10 (slightly alkaline), with simultaneous chemical resistance to oxidizing or bleaching agents such. As hydrogen peroxide or chlorine bleaching necessary. For use in dishwashers, the chemical resistance with respect to the pH value of the washing solutions used should range from a pH of 5 to 10, since the detergent used, in particular by the use of acids in rinse aids, the pH value in the acidic Move the area.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein z. B. aus der EP 0 551 914 B1 bekanntes Heizmodul 100 mit einem Rohrheizelement 110 des Standes der Technik, wie es zurzeit in den eingangs genannten elektrischen Haushaltsgeräten eingesetzt wird. Das Rohrheizelement 110 besteht prinzipiell aus einem korrosionsbeständigen Rohr 111 mit zwei Enden 112, 114, in dem im Inneren 116 ein in ein Isolationsmaterial z. B. Magnesiumoxid - als Füllstoff und zur elektrischen Isolierung - eingebetteter hochohmiger Heizdraht, d. h. der Heizleiter, enthalten sind. Dabei dient das Rohr 111 im Wesentlichen zum Schutz dieses elektrisch isolierenden Füllstoffes und des Heizleiters gegenüber dem zu erhitzenden und zur Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium. Der Heizleiter ist von außen über elektrische Anschlüsse 122, 124 an den jeweiligen Rohrenden 112, 124 kontaktierbar, wobei mittels Dichtungen 132, 134 die elektrischen Anschlüsse 122, 124 gegenüber dem Rohr 111 isoliert und das Rohr nach außen hin abgedichtet ist.The Fig. 1 shows an example z. B. from the EP 0 551 914 B1 Known heating module 100 with a pipe heater 110 of the prior art, as it is currently used in the aforementioned household electrical appliances. The tubular heating element 110 consists in principle of a corrosion-resistant tube 111 with two ends 112, 114, in which in the interior 116 in an insulating material z. B. magnesium oxide - as a filler and for electrical insulation - embedded high-resistance heating wire, ie the heating element are included. The tube 111 serves essentially to protect this electrically insulating filler and the heating conductor relative to the heated and for heat to the medium to be heated. The heating conductor can be contacted from the outside via electrical connections 122, 124 at the respective pipe ends 112, 124, wherein the electrical connections 122, 124 are insulated from the pipe 111 by means of seals 132, 134 and the pipe is sealed to the outside.

Aus der WO 01/94861 A ist ein rohrförmiges Heizelement mit gedruckten elektrischen Widerständen bekannt, die von einer oder mehreren Schichten aus dielektrischem Material ummantelt und auf einem rohrartigen Grundkörper angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Der gedruckte Widerstand ist durch die Schicht bzw. die Schichten aus dielektrischem Material umhüllt. Für gewisse Anwendungen ist eine äußerste Schicht als eine äußere abriebfeste Umhüllung ausgestaltet, z. B. in Form einer schützenden Ummantelung aus einem metallischen, rohrförmigen Opfer- bzw. Schutzelement.From the WO 01/94861 A For example, a tubular heating element with printed electrical resistors is known, which are encased by one or more layers of dielectric material and arranged on a tubular base body and electrically connected to each other. The printed resistor is enveloped by the layer or layers of dielectric material. For certain applications, an outermost layer is configured as an outer abrasion resistant sheath, e.g. B. in the form of a protective sheath of a metallic, tubular sacrificial or protective element.

Nachteilig bei Rohrheizelementen des Standes der Technik ist, dass bei deren Herstellung sehr viele Fertigungsschritte benötigt werden. Auch ist die Anordnung aus dem Heizleiter, dem Füllstoff, mit dem der Heizleiter gegenüber dem (Schutz-)Rohr isoliert und gesichert wird, thermisch nicht optimal, da verhältnismäßig große thermische Massen aufzuheizen sind; dies zeigt sich insbesondere bei der thermischen Reaktionszeit solcher Rohrheizelemente. Auch ist es bei den vorstehend beschriebenen Rohrheizelementen nicht möglich einen Temperaturfühler zur Erfassung der Temperatur des zu erhitzenden Mediums in das Rohrheizelement zu integrieren. Schließlich wird aufgrund der Bauweise des bekannten Heizmoduls sehr viel Volumen des zu erhitzenden Mediums verdrängt.A disadvantage of tubular heating elements of the prior art is that very many production steps are required during their production. Also, the arrangement of the heating conductor, the filler with which the heating element is isolated from the (protective) tube and secured, thermally not optimal, since relatively large thermal masses are to be heated; This is especially evident in the thermal reaction time of such tubular heating elements. Also, it is not possible in the pipe heating elements described above to integrate a temperature sensor for detecting the temperature of the medium to be heated in the pipe heater. Finally, due to the construction of the known heating module, much volume of the medium to be heated is displaced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung bereitzustellen, die eine schnelle Wärmeabgabe an das zu erhitzende Medium mit einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht, wobei die Heizvorrichtung bei gleicher Heizleistung möglichst weniger Volumen des zu erhitzenden Mediums als ein herkömmliches Rohrheizelement verdrängen soll.The invention has for its object to provide a heater that allows a fast heat transfer to the medium to be heated with a high efficiency, the heater with the same heating capacity as less volume of the medium to be heated to displace as a conventional pipe heater.

Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den sich daran anschließenden Ansprüchen 2 bis 11 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu.The above object is achieved by a heating device with the features of claim 1. In the subsequent claims 2 to 11 are advantageous embodiments of this.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung vorzuschlagen, das eine einfache und kürzere Fertigung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ermöglicht.It is another object of the invention to provide a manufacturing method for a to propose heating device according to the invention, which allows a simple and shorter production of the heating device according to the invention.

Die vorstehende Aufgabe wird hinsichtlich der Fertigung durch ein Herstellungsverfahren gemäß dem Anspruch 12 gelöst. In den sich daran anschließenden Ansprüchen 13 bis 15 finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu.The above object is achieved in terms of manufacturing by a manufacturing method according to claim 12. In the subsequent claims 13 to 15 are advantageous embodiments of this.

Die elektrische Heizvorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Mediums weist einen Grundkörper bzw. Grundträger, auch Substrat genannt, auf. Als Grundkörper sind prinzipiell alle denkbaren geometrischen Formen, je nach Anwendungsbedarf denkbar. Wenigstens auf einer Fläche des Grundkörpers ist in einem Heizbereich der Heizvorrichtung wenigstens eine Heizleiterbahn in Form einer strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht angeordneten, die der Umwandeln elektrischer Energie in Wärme dienst und wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen besitzt, die in einem Anschlussbereich der Heizvorrichtung ausgeführt und kontaktierbar sind. Zwischen dem Grundkörper und der Heizleiterschicht ist eine Dielektrikumsschicht angeordnet. Wenigstens eine Abdeckschicht isoliert die Heizleiterbahn gegenüber dem Medium elektrisch, wobei die Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich derart beschichtet ist, dass offen Poren in der Heizleiterschicht und in der Dielektrikumsschicht gegenüber dem Medium versiegelt sind, d.h. ein Eindringen oder Eindiffundieren des flüssigen Mediums in die Dielektrikumsschicht bzw. Heizleiterschicht wird verhindert. Weiter besitzt die Oberfläche der Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich gegenüber dem Medium Antihaft- bzw. Anti-Soiling-Eigenschaften.The electric heating device for heating a liquid medium has a main body or base carrier, also called a substrate. As a basic body are in principle all conceivable geometric shapes, depending on application requirements conceivable. At least on one surface of the base body, at least one heating conductor in the form of a structured resistance heating conductor layer is arranged in a heating region of the heater, which serves to convert electrical energy into heat and has at least two electrical connections which are made and contactable in a connection region of the heating device. Between the base body and the Heizleiterschicht a dielectric layer is arranged. At least one cover layer electrically insulates the heater trace from the medium, wherein the heater is coated at least in the heating region such that pores in the heat conductor layer and in the dielectric layer are openly sealed to the media, i. penetration or diffusion of the liquid medium into the dielectric layer or heat conductor layer is prevented. Further, the surface of the heater has at least in the heating area against the medium non-stick or anti-soiling properties.

In einer Ausführungsform der elektrische Heizvorrichtung ist der Grundkörper ein wenigstens im Bereich eines ersten Rohrendes verschlossenes Rohr, also ein rohrförmigen Grundkörper. Dabei besitzt dieser rohrförmige Grundkörper einen mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt bringbaren Heizbereich, der in einer Weiterbildung mit einer Vielzahl von Strömungsöffnungen versehen ist. Auf einer Innenfläche oder einer Außenfläche des rohrförmigen Grundkörpers sind dann die Funktionsschichten, nämlich die Dielektrikumsschicht, die wenigstens eine Heizleiterbahn in Form der strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht und die Abdeckschicht vorgesehen.In one embodiment of the electrical heating device, the base body is a tube closed at least in the area of a first pipe end, that is to say a tubular base body. In this case, this tubular base body has a heating area which can be brought into contact with the medium to be heated and which is provided with a multiplicity of flow openings in a further development. On an inner surface or an outer surface of the tubular base body then the functional layers, namely the dielectric layer, the at least one Heizleiterbahn in the form of the patterned resistance Heizleiterschicht and the cover layer are provided.

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einem offenen Rohrende an dem Teil des Grundkörpers mit dem Heizbereich bietet beispielsweise die Möglichkeit dort eine Pumpe anzuschließen, mit der die Zirkulation des zu erhitzenden Mediums entlang der Innenfläche zusätzlich durch Zufuhr bzw. durch Absaugen gesteigert werden kann. Dies ist bei den eingangs beschriebenen Rohrheizkörpern nicht möglich. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass es auch möglich ist, den rohrförmigen Grundkörper an beiden Rohrenden zu verschließen.The embodiment of the heating device according to the invention with an open tube end on the part of the body with the heating area offers, for example, the possibility to connect a pump with which the circulation of the medium to be heated along the inner surface can be additionally increased by supply or by suction. This is not possible with the tubular heaters described above. In this context, it should be noted that it is also possible to close the tubular body at both ends of the pipe.

Grundsätzlich können Strömungsöffnungen im Grundkörper alle denkbar möglichen Formen aufweisen, bevorzugt sind sie jedoch als Rundlöcher bzw. Langlöcher ausgeführt. Besonders bevorzugt sind bei der Ausführung mit dem rohrförmigen Grundkörper die Strömungsöffnungen in regelmäßigem Abstand über den gesamten Heizbereich verteilt vorgesehen. Aufgrund dieser Strömungsöffnungen steht dann die Heizvorrichtung im Heizbereich bei erfindungsgemäßer Verwendung - bis auf den Anschlussbereich - vollständig mit der gesamten Oberfläche, d. h. der Innenfläche und der Außenfläche des rohrförmigen Grundkörpers, mit dem zu erhitzenden flüssigen Medium in direktem Kontakt, d.h. der Heizbereich ist in das Medium ein- bzw. untergetaucht (immersed); dies ist im Anschlussbereich nur für die Innenfläche der Fall. Dadurch wird eine schnellere Wärmeabgabe an das Medium erzielt, auch ist der Wirkungsgrad der Heizvorrichtung gegenüber den herkömmlichen Rohrheizkörpern weiter verbessert. Insbesondere werden durch die gute Wärmeabgabe über den gesamten Heizbereich in der Heizvorrichtung Materialspannungen aufgrund der thermischen Ausdehnung der einzelnen Materialien deutlich reduziert bzw. vermieden.In principle, flow openings in the base body can have all possible shapes, but they are preferably designed as round holes or elongated holes. In the embodiment with the tubular base body, the flow openings are particularly preferably distributed at regular intervals over the entire heating area. Due to these flow openings, the heater is then in the heating area when used according to the invention - except for the connection area - completely with the entire surface, d. H. the inner surface and the outer surface of the tubular body, with the liquid medium to be heated in direct contact, i. the heating area is submerged or immersed in the medium; this is the case in the connection area only for the inner surface. As a result, a faster heat transfer to the medium is achieved, and the efficiency of the heater over the conventional tubular heaters is further improved. In particular, material stresses due to the thermal expansion of the individual materials are significantly reduced or avoided by the good heat dissipation over the entire heating area in the heating device.

Durch die Ausführung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ohne einen homogenen geschlossenen Mantel wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Rohrheizkörper vereinfacht sich auch die Herstellung wesentlich. Weitere Vorteile sind zusätzlich die Materialeinsparung durch beispielsweise den Wegfall des Füllstoffes und die damit verbundene Gewichtsreduzierung, aber auch die deutlich schnellere thermische Reaktionszeit aufgrund der deutlich reduzierten thermischen Massen. Darüber hinaus kann ohne großen Aufwand im Betrieb ein "trockener" Anschlussbereich sichergestellt werden.By the embodiment of the heating device according to the invention without a homogeneous closed jacket as in the conventional tubular heating element described above, the production is simplified considerably. Further advantages include the material savings by, for example, the elimination of the filler and the associated weight reduction, but also the significantly faster thermal reaction time due to the significantly reduced thermal masses. In addition, a "dry" connection area can be ensured without much effort during operation.

Hinsichtlich der Heizleiterschicht ist zu vermerken, dass hierfür gute Ergebnisse mit Metall, Metalllegierung, z.B. Kanthal oder Nikrothal, aber auch mit Keramik-Metall-Verbundstoffen, sog. Composits, erzielt wurden. Dabei eigenen sich besonders thermisch gespritzte bzw. kaltgasgespritzte Metalle bzw. Metalllegierungen.With regard to the heat conductor layer, it should be noted that good results have been achieved with metal, metal alloy, eg Kanthal or Nikrothal, but also with ceramic-metal composites, so-called composites. Particularly suitable for this purpose are thermally sprayed or cold-gas-sprayed metals or metal alloys.

Alternativ hat sich eine Auftragung der Heizleiterschicht im Sol-Gel-Schichtverhfahren als tauglich erwiesen. Dabei ist ein Sol eine kolloidale Lösung mit sehr kleinen, fein verteilten, freibeweglichen Teilchen, z.B. Graphit, Nickel, Silber. Durch Verdampfen des Lösungsmittels geliert das Sol zum Sol-Gel, dabei nähern sich die Partikel einander an und bilden ein dreidimensionales Netzwerk. Weiteres Erhitzen verstärkt die Quervernetzungen. Nach der Abgekühlung ist das Netzwerk dauerhaft.Alternatively, application of the heat conductor layer in the sol-gel layer method has proved to be suitable. In this case, a sol is a colloidal solution with very small, finely divided, freely mobile particles, e.g. Graphite, nickel, silver. By evaporation of the solvent, the sol gels to sol-gel, the particles approach each other and form a three-dimensional network. Further heating enhances cross-linking. After cooling, the network is permanent.

Es ist noch anzumerken, dass bei der Ausführung mit rohrförmigem Grundkörper (abgekürzt: Rohrausführung) sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Grundkörpers der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung WiderstandsHeizelemente vorgesehen sein können.It should also be noted that in the embodiment with a tubular basic body (abbreviated to the tube design) resistance heating elements can be provided both on the inside and on the outside of the main body of the heating device according to the invention.

Ein weiterer Vorteil des Aufbaus der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist, dass sehr einfach zusätzlich ein oder mehrere elektrische Sensorelemente verschiedenster Funktionen vorgesehen werden können. Ein solches Sensorelement kann isoliert auf einer Fläche des Grundkörpers angeordnet sein, wobei dessen elektrische Anschlüsse vorzugsweise auch im Anschlussbereich angeordnet und kontaktierbar sind. Dabei kann es sich bei dem Sensorelement prinzipiell um unterschiedlichste Sensorarten handeln, die zur Überwachung der Heizvorrichtung bzw. des Heizvorgangs oder des zu erhitzenden Mediums dienen können.Another advantage of the construction of the heating device according to the invention is that very simply one or more electrical sensor elements of various functions can be provided in addition. Such a sensor element can be arranged in isolation on a surface of the base body, wherein its electrical connections are preferably also arranged in the connection area and can be contacted. In principle, the sensor element can be a very wide variety of sensor types which can be used to monitor the heating device or the heating process or the medium to be heated.

So kann ein Temperatursensor zur Steuerung und/oder thermischen Überwachung sowie Absicherung des Widerstands-Heizelements dienen. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die Funktion der Überwachung des zu erhitzenden Mediums und die der thermischen Überwachung sowie Absicherung des Widerstands-Heizelements durch zwei oder mehrere unterschiedliche Sensorelemente vorzunehmen. Hier sei besonders darauf hingewiesen, dass insbesondere für die präzise und zuverlässige Steuerung bzw. Regelung eines Heizelements die Lage eines entsprechenden Temperatursensors entscheidend ist.Thus, a temperature sensor can serve for the control and / or thermal monitoring and protection of the resistance heating element. Basically, however, it is also possible to perform the function of monitoring the medium to be heated and the thermal monitoring and protection of the resistance heating element by two or more different sensor elements. It should be noted in particular that the position of a corresponding temperature sensor is crucial, in particular for the precise and reliable control or regulation of a heating element.

Demnach kann ein Sensorelement ein Temperatursensor sein, der unmittelbar neben oder auf der wenigstens einen Heizleiterbahn und von dieser und gegebenenfalls gegenüber dem Medium elektrisch isoliert und abgedichtet angeordnet ist. Damit ist es bei der Heizvorrichtung gemäß der Erfindung möglich, nahezu ideal eine thermische Überwachung des Heizelements und/oder Erfassung der Mediumstemperatur zu realisieren. So kann der entsprechende Temperatursensor nahezu direkt am jeweils relevanten Messort, d. h. direkt auf oder neben dem Heizleiter bzw. im direkten oder indirekten thermischen Kontakt zum Medium, angeordnet werden. Damit kann vorteilhaft eine thermische Überlastung des Heizelements nahezu ausgeschlossen werden. Dabei ist das Vorsehen des hierzu benötigten Temperatursensors deutlich einfacher zu realisieren, als dies bei einem herkömmlichen Rohrheizkörper überhaupt möglich wäre. Bevorzugt wird der Temperatursensor auf dem Grundkörper im Heizbereich angeordnet, wobei bei der Rohrausführung der Temperatursensor entweder auf der Innenfläche oder auf der Außenfläche angeordnet sein kann. Dies kommt besonders dem Wunsch entgegen, die Temperatur des zu erhitzenden Mediums möglichst direkt erfassen zu können. Bei dem eingangs geschilderten herkömmlichen Rohrheizkörper ist dies so nicht möglich.Accordingly, a sensor element may be a temperature sensor which is located directly next to or on the at least one heating conductor track and from this and optionally is arranged electrically isolated and sealed against the medium. Thus, it is possible in the heating device according to the invention, almost ideal to realize a thermal monitoring of the heating element and / or detection of the medium temperature. Thus, the corresponding temperature sensor can be arranged almost directly at the respectively relevant measuring location, ie directly on or next to the heating conductor or in direct or indirect thermal contact with the medium. This can advantageously be almost excluded thermal overloading of the heating element. The provision of the temperature sensor required for this purpose is much easier to implement than would be possible with a conventional tubular heater. Preferably, the temperature sensor is arranged on the base body in the heating region, it being possible for the temperature sensor to be arranged either on the inner surface or on the outer surface in the case of the tube version. This is particularly contrary to the desire to be able to capture the temperature of the medium to be heated as directly as possible. In the above-described conventional tubular heater this is not possible.

Weiter kann ein bzw. ein weiteres Sensorelement ein Sicherungselement zur Absicherung der Heizvorrichtung sein. Ein solches Sicherungselement kann beispielsweise den Heizleiter in einem Fehler- bzw. Störungsfall, wie zum Beispiel ein Trockenlauf der Heizvorrichtung, unterbrechen. Hierzu ist es bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besonders einfach möglich - bevorzugt im Anschlussbereich - ein solches Sicherungselement in den Heizleiter zu integrieren. Die Absicherung kann dabei in einer thermischen Absicherung aber auch in einer elektrischen Absicherung des Heizelements bestehen. Bei der ersten Variante wird die Temperatur des Heizleiters mittels eines entsprechenden Temperatursensors überwacht und der Heizstrom entsprechend unterbrochen oder geregelt. Bei der elektrischen Absicherung wird der Heizstrom überwacht und bei Überschreiten eines bestimmten Wertes unterbrochen, begrenzt oder abgeregelt. Es ist jedoch auch möglich extern oder im Anschlussbereich der Heizvorrichtung eine Regelungsschaltung vorzusehen, die den Heizstrom überwacht und entsprechend regelt.Furthermore, one or another sensor element can be a securing element for securing the heating device. Such a fuse element, for example, interrupt the heating element in a fault or fault, such as a dry run of the heater, interrupt. For this purpose, it is particularly easy in the heating device according to the invention - preferably in the connection area - to integrate such a fuse element in the heating element. The hedge may consist in a thermal protection but also in an electrical fuse of the heating element. In the first variant, the temperature of the heating element is monitored by means of a corresponding temperature sensor and the heating current is interrupted or regulated accordingly. In the case of electrical protection, the heating current is monitored and interrupted, limited or regulated when a certain value is exceeded. However, it is also possible to provide a control circuit externally or in the connection region of the heating device, which monitors the heating current and controls it accordingly.

Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der Aufbau der Heizvorrichtung die Verwendung von Sensorelementen in Form eines SMD-Bauteils (SMD, surface mounted device) ermöglicht. Diese können nahezu an jeder gewünschten Stelle auf der Heizvorrichtung angeordnet werden, d. h. sowohl im Heizbereich, der als "nasser" Bereich mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht als auch im Anschlussbereich, der als "trockener" Bereich bei der eingebauten Heizvorrichtung in einem Bottich außerhalb, d. h. vom zu erhitzenden Medium abgeschirmt ist.Particularly advantageous has been found that the structure of the heater the use of sensor elements in the form of an SMD component (SMD, surface mounted device) allows. These can be arranged almost at any desired location on the heating device, ie both in the heating area, which is in "wet" area with the medium to be heated in contact and in the connection area, as a "dry" area in the built-in heater in a tub outside, that is shielded from the medium to be heated.

Besonders das verschlossene Ende eines rohrförmigen Grundkörpers ermöglicht auch eine zuverlässige Erfassung der Mediumstemperatur sogar direkt im dort angeordneten Anschlussbereich, da die Innenfläche des Grundkörpers hier mit dem Medium im Kontakt steht. Zusätzlich von Vorteil ist es dann, dass ein dort angeordnetes Sensorelement nicht gegenüber dem Medium abgedichtet bzw. isoliert werden muss. Dabei besteht eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einem Temperatursensor zu Überwachung bzw. Erfassung der Mediumstemperatur in der Möglichkeit, ein handelsübliches NTC- oder PTC-Element mit einer Hülse, beispielsweise einer Metallhülse aus Chromnickel-Stahl, in dem verschlossenen Ende des rohrförmigen Grundkörpers anzuordnen. Damit kann dieses Rohrende besonders einfach verschlossen werden, indem die Hülse des Temperatursensors als Deckel verwendet wird, die beispielsweise, wenn der rohrförmige Grundkörper und die Hülse aus Metall sind, durch Schweißen materialschlüssig mit dem Grundkörper aus Metall verbunden werden kann. Auch steht der Temperatursensor besonders vorteilhaft mit dem zu erhitzenden Medium in direktem Kontakt.Especially the closed end of a tubular base body also allows a reliable detection of the medium temperature even directly in the connection region arranged there, since the inner surface of the base body is in contact here with the medium. In addition, it is advantageous that a sensor element arranged there does not have to be sealed off or insulated from the medium. In this case, there is an advantageous embodiment of the heating device according to the invention with a temperature sensor for monitoring or recording the medium temperature in the way to arrange a commercial NTC or PTC element with a sleeve, such as a metal sleeve made of chrome-nickel steel, in the closed end of the tubular body , Thus, this pipe end can be particularly easily closed by the sleeve of the temperature sensor is used as a lid, which, for example, when the tubular body and the sleeve are made of metal, can be materially connected by welding with the base body made of metal. Also, the temperature sensor is particularly advantageous with the medium to be heated in direct contact.

Es sei noch angemerkt, dass je nach Anforderung als Sensorelemente an den vorstehenden Positionen auch Sensoren für andere physikalische Messgrößen verwendet werden können, wie zum Beispiel ein Drucksensor oder ein Sensor zur Erfassung des PH-Wertes etc.It should also be noted that, depending on requirements, sensors for other physical measured variables can also be used as sensor elements at the above positions, such as, for example, a pressure sensor or a sensor for detecting the pH, etc.

Grundsätzlich ist für den Grundkörper, jedes Material mit guten Wärmeleiteigenschaften und gleichzeitig ausreichend hohem Schmelzpunkt bzw. einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten geeignet. Bevorzugt wird für den Grundkörper ein austenitischer oder ein ferritischer bzw. Duplex-Edelstahl, aber auch Buntmetalle wie Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen sind geeignet. Besonders bevorzugt bietet sich aus Kostenüberlegungen als Grundkörpermaterial unlegierter Stahl, wie zum Beispiel Kaltbandstahl, an. Es sei jedoch angemerkt, dass der Grundkörper auch aus einer Keramik, Glas oder einem Metall-Keramik-Verbundstoff, wie einem Metal Matrix Composit oder Cermet, bestehen kann.Basically, any material with good thermal conductivity and at the same time sufficiently high melting point or a small coefficient of thermal expansion is suitable for the main body. An austenitic or a ferritic or duplex stainless steel is preferred for the main body, but also Non-ferrous metals such as aluminum, aluminum alloys, copper, copper alloys are suitable. For cost considerations, it is particularly preferable to use carbon steel as base body material, for example cold rolled steel. It should be noted, however, that the base body can also be made of a ceramic, glass or a metal-ceramic composite, such as a metal matrix composite or cermet.

Insbesondere wenn das Material des Grundkörper selber elektrisch leitfähig ist, ist zur elektrischen Isolation unmittelbar auf dem Grundkörper eine Dielektrikumsschicht als eine erste Abdeckschicht mit einem thermischen Spritzverfahren. Hierfür hat haben sich Keramikschichten, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Chromoxid, Glasfritten wie Borsilikat oder einer Mischung davon, als geeignet herausgestellt. Gleichermaßen ist als erste Abdeckschicht auch eine Emailleschicht oder Glasschicht geeignet. Auch kann die Dielektrikumsschicht mittels dem oben genannten Sol-Gel-Verfahren aufgebracht werden, wobei sich besonders Siliziumoxid-, Titanoxid-, Zirkoniumoxid- und Aluminiumoxid-Sol-Gels als geeignet erwiesen haben.In particular, if the material of the base body itself is electrically conductive, a dielectric layer as a first covering layer with a thermal spraying method is for electrical insulation directly on the base body. Ceramic layers, preferably of aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, chromium oxide, glass frit such as borosilicate or a mixture thereof, have proven to be suitable for this purpose. Likewise, an enamel layer or glass layer is suitable as the first cover layer. The dielectric layer can also be applied by means of the abovementioned sol-gel method, silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide and aluminum oxide sol gels having proven particularly suitable.

Als besonders problematisch hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass bei einer thermisch belasteten spröden Schicht, vor allem wenn mehreren Schichten unterschiedliche Elastizitätseigenschaften (bzw. mit unterschiedlich thermischem Ausdehnungsverhalten) haben, insbesondere bei keramischen oder gläsernen Schichten, Risse auftreten können. Dies ist bei einer Heizvorrichtung, die im Betrieb einen elektrischen Strom führenden Heizleiter besitzt und in ein zu erhitzendes meist elektrisch leitfähiges Medium eingetaucht ist, nachteilig, da durch Risse Kurzschlüsse auftreten können. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in der Dielektrikumsschicht zwischen den Heizleiterbahnen der Widerstands-Heizleiterschicht Dehnfugen vorzusehen. Durch diese Maßnahme wird besonders einer Rissbildung in den Funktionsschichten, das sind die Dielektrikumsschicht, die Widerstands-Heizleiterschicht und die im Folgenden genannte Abdeckschicht, durch die im Betrieb auftretenden thermischen Belastungen vermindert, insbesondere wird damit neben der guten Wärmeabfuhr durch den vollständigen Kontakt des Grundkörpers mit dem flüssigen Medium sichergestellt, dass die Dielektrikumsschicht und die Abdeckschicht im erfindungsgemäßen Betriebseinsatz sich nicht ablösen bzw. abgesprengt werden.In the past, it has proven to be particularly problematical that cracks may occur in a thermally stressed brittle layer, especially if several layers have different elasticity properties (or with different thermal expansion behavior), especially in the case of ceramic or glass layers. This is disadvantageous in a heating device which has an electrical current-carrying heating conductor in operation and is immersed in a mostly electrically conductive medium to be heated, since shorts can occur due to cracks. In this context, it has proved to be advantageous to provide expansion joints in the dielectric layer between the heating conductor tracks of the resistance heating conductor layer. As a result of this measure, cracking in the functional layers, ie the dielectric layer, the resistance heating conductor layer and the cover layer mentioned below, is reduced by the thermal loads occurring during operation, in particular the good heat dissipation due to the complete contact of the base body the liquid medium ensures that the dielectric layer and the cover layer in the inventive Operational use can not replace or be blown off.

Es hat sich herausgestellt, dass die Dielektrikumsschicht und die Widerstands-Heizleiterschicht bei Erzeugung mittels eines thermischen Spritzverfahrens wie atmosphärischen Plasma Spritzens (APS), Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF), Pulverflammspritzens, Lichtbogen- und Kaltgasspritzens oder mittels eines Sol-Gel-Verfahrens besonders gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Dies ist vor allem auf die poröse Schichtstruktur der mit den genannten Verfahren erzeugten Schichten zu verdanken, da dabei vorteilhaft eine Kompensation der unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften bzw. dem unterschiedlich thermischem Ausdehnungsverhalten erreicht wird.It has been found that the dielectric layer and the resistance-Heizleiterschicht when generated by a thermal spraying method such as atmospheric plasma spraying (APS), high velocity flame spraying (HVOF), powder flame spraying, arc and cold gas spraying or by means of a sol-gel process particularly good mechanical properties exhibit. This is mainly due to the porous layer structure of the layers produced by the above-mentioned methods, since in this case a compensation of the different elasticity properties or the different thermal expansion behavior is advantageously achieved.

Es wurde weiter festgestellt, dass bei vorstehend genannten porösen Schichten im "immersed" Betrieb Wassermoleküle in die Poren eindringen bzw. sich dort einlagern. Dadurch bilden sich in dieser Schicht, die primär zu elektrischen Isolation dient, leitfähige Pfade aus, die zu Kurzschlüssen bzw. höheren Ableitströmen führen können. Daher hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Poren der Dielektrikumsschicht, vor allem an den gegebenenfalls vorgesehen Dehnfugen, den gegebenenfalls vorgesehen Strömungsöffnungen sowie wenigstens an den Stirnseiten der Schicht am Rand des Grundkörpers, mit der Abdeckschicht zu versehen, d. h. zu versiegeln. Eine Versiegelung der Widerstands-Heizleiterschicht hat sich dabei zur Vermeidung von Korrosion als vorteilhaft gezeigt. Insgesamt wird vorteilhaft ein Unterwandern dieser Schichten bzw. ein stirnseitiges Eindringen von Flüssigkeiten in die poröse Schichten verhindert.It has also been found that in the case of the abovementioned porous layers in immersed operation, water molecules penetrate into the pores or accumulate there. As a result, conductive paths are formed in this layer, which primarily serves for electrical insulation, which can lead to short circuits or higher leakage currents. Therefore, it has been found to be particularly advantageous to provide the pores of the dielectric layer, especially at the optionally provided expansion joints, the optionally provided flow openings and at least at the end faces of the layer at the edge of the body, with the cover layer, d. H. to seal. A sealing of the resistance-Heizleiterschicht has been shown to be beneficial to avoid corrosion. Overall, an infiltration of these layers or a frontal penetration of liquids into the porous layers is advantageously prevented.

Zum Schutz der Heizvorrichtung im Betrieb vor äußeren Einflüssen und zur Abdichtung bzw. Versiegelung und Isolation gegenüber dem Medium ist die Heizvorrichtung daher wenigstens im Heizbereich, d. h. im nassen Bereich, mit einer aufgetragenen mediumsdichten und auch elektrisch isolierenden Abdeckschicht versehen. Diese Schicht sollte eine Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von 1 bis 50 W/mK haben.To protect the heater during operation against external influences and for sealing or sealing and isolation from the medium, the heater is therefore at least in the heating area, d. H. in the wet area, provided with an applied medium-tight and electrically insulating cover layer. This layer should have a thermal conductivity in the range of 1 to 50 W / mK.

Es sei angemerkt, dass diese Abdeckschicht selbstverständlich auch aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein kann, von den jeweils eine eine der benötigten Funktionen "elektrisch Isolieren", "gegenüber dem zu erhitzenden Medium Abdichten bzw. Versiegeln" und eine "Anti-Soiling-Eigenschaft" besitzt.It should be noted that this covering layer can of course also be composed of several layers, one of which is required in each case Functions "electrically isolating", "against the medium to be heated caulking or sealing" and has an "anti-Soiling property".

Als besonders geeignet erwiesen haben sich zum Versiegeln der Poren: Nanokompositlacke, wie organische Lacke oder Lacke mit anorganischeorganische Polymermatrix mit eingelagerten anorganischen Partikeln, Siloxane und Silikonöle. Diese Materialien dringen in die Poren der porösen Schichten ein und versiegeln dies gegen das Eindringen des flüssigen zu erhitzenden Mediums, wie beispielsweise Wasser.Particularly suitable for sealing the pores have been: nanocomposite coatings, such as organic paints or coatings with inorganic-organic polymer matrix with incorporated inorganic particles, siloxanes and silicone oils. These materials penetrate into the pores of the porous layers and seal them against the penetration of the liquid to be heated medium, such as water.

Als veredelndes Topcoat bzw. letzte Abdeckschicht wird die Außenfläche mit der Antihaft- oder Anti-Soiling-Eigenschaft ausgestattet. Das Topcoat ist im Aufbau so ausgelegt, dass sich weder Kalk noch andere organische Substanzen an der Heizvorrichtung im Heizbereich ablagern (können). Damit ist ein gleich bleibender und über den Heizbereich gleichmäßiger Wärmeübergang von der Heizung zum Medium gewährleistet.As a finishing top coat or last covering layer, the outer surface is equipped with the non-stick or anti-soiling properties. The topcoat is designed so that neither lime nor other organic substances can deposit on the heater in the heating area. This ensures a constant and uniform heat transfer from the heating to the medium via the heating area.

Vorzugsweise weist die versiegelnde bzw. porenabdichtende Abdeckschicht selber schon Anti-Soiling-Eigenschaften auf. Dabei kann die Abdeckschicht beispielsweise eine nanostrukturierte Schutzschicht sein, für die bevorzugt nanostrukturierte Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen verwendet werden. Für eine Einschichtausführung der Abdeckschicht, d.h. Versiegeln der Poren, elektrische Isolation und Anti-Soiling-Eigenschaft, eignet sich beispielsweise ein Hybridpolymer, welches als Sol-Gel-Coating, beispielsweise mit einem Hybridpolymere mit einer anorganisch-organischen Polymermatrix, aufgebracht wird. Das Hybridpolymer ist nämlich dünnflüssig genug, um in die offenen Poren der porösen Schichten einzudringen und bildet zusätzlich auf der Oberfläche durch die Quervernetzung einen dichten Film. Die hydrophoben Sol-Gel-Oberflächen sind nicht nur schmutzabweisend, sie erhöhen auch den Korrosionswiderstand des beschichteten Widerstands-Heizleiterschicht.Preferably, the sealing or pore-sealing cover layer itself already has anti-soiling properties. In this case, the covering layer can be, for example, a nanostructured protective layer, for which nanostructured materials or material combinations are preferably used. For a single layer embodiment of the cover layer, i. Pore sealing, electrical insulation and anti-soiling property, for example, a hybrid polymer, which is applied as a sol-gel coating, for example, with a hybrid polymer with an inorganic-organic polymer matrix, is suitable. Namely, the hybrid polymer is thin enough to penetrate into the open pores of the porous layers and additionally forms a dense film on the surface by crosslinking. The hydrophobic sol-gel surfaces are not only dirt repellent, they also increase the corrosion resistance of the coated resistive heat conductor layer.

Bei einer Abdeckschicht in Mehrschichtausführung haben sich für das Topcoat Silikone bzw. modifizierte Silikone, Polyimide, Polyamidimid, Polyesterimide bzw. modifizierte Polyesterimide als geeignet erwiesen. Aber auch Glas- bzw. Keramik-Schichten, die mittels Siebdruck oder Sprühverfahren mit anschließendem Trocknen und Einbrennen aufgetragen werden, sind geeignet. Eine wichtige Eigenschaft des Topcoats besteht hier noch darin, ein Ausgasen der die Poren in der Dielektrikumsschicht und der Widerstands-Heizleiterschicht versiegelnden Abdeckschicht zu verhindern.In the case of a cover layer in multilayer design, silicones or modified silicones, polyimides, polyamideimide, polyesterimides or modified polyesterimides have proven suitable for the topcoat. But also glass or ceramic layers by means of screen printing or spraying followed by Drying and baking are applied. An important feature of the topcoat here is still to prevent outgassing of the covering layer which seals the pores in the dielectric layer and the resistance heating conductor layer.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist sowohl die Dielektrikumsschicht als auch die Abdeckschicht aus Emaille oder Glas, da von diesen Stoffen beide Anforderungen hinsichtlich der notwendigen elektrischen Isolation als auch der Abdichtung gegenüber dem zu erhitzenden Medium erfüllt werden.In one embodiment of the heating device according to the invention, both the dielectric layer and the cover layer of enamel or glass, since both requirements are met by these substances in terms of the necessary electrical insulation and the seal against the medium to be heated.

In diesem Zusammenhang sei noch hervorgehoben, dass das Überziehen der gesamten Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich, der im untergetauchten Betrieb mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht, mit der Abdeckschicht besonders vorteilhaft die Verwendung von unedlen Metallen, z. B. unlegierten Stählen, für den Grundkörper ermöglicht. So kann der Grundkörper aus günstigem Kaltbandstahl als Ausgangsmaterial hergestellt werden.In this context, it should be emphasized that the coating of the entire heater at least in the heating area, which is in submerged operation in contact with the medium to be heated, with the cover particularly advantageous the use of base metals, for. As unalloyed steels allowed for the body. Thus, the base body can be made from inexpensive cold rolled steel as the starting material.

Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ist auf die Problematik sog. "Hotspots" gerichtet. Als Hotspots sollen in diesem Zusammenhang im Betrieb auftretende Stellen bei einer Heizvorrichtung angesehen werden, an denen teilweise erhebliche Übertemperaturen auftreten. Solche Hotspots können durch lokale äußere Verunreinigungen auftreten, aber auch bauartbedingt an bestimmten Stellen des Heizleiters hervorgerufen werden. So ist zum einen im Anschlussbereich der Heizvorrichtung nicht erwünscht, dass der Heizleiter dort elektrische Energie in Wärme umwandelt. Aber auch an so genannten Umkehrpunkten des Heizleiters, die wenigstens einmal am offenen Rohrende notwendig sind, wurde das Auftreten von solchen lokalen Überwärmungen festgestellt. Daher werden die Heizleiterbahn(en) an Umkehrpunkten und im Anschlussbereich gegenüber der restlichen Heizleiterbahn so eingestellt, dass diese an solchen Stellen einen geringeren spezifischen Widerstand aufweisen. Dies kann prinzipiell durch eine Erhöhung des wirksamen Heizleiterquerschnitts an Umkehrpunkten bzw. im Anschlussbereich, beispielsweise durch Vorsehen von mehr Heizleitermaterial, erreicht werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Heizleiterbahn an den Umkehrpunkten bzw. im Anschlussbereich aus einem Widerstandsmaterial mit einer höheren Leitfähigkeit als die restliche Heizleiterbahn besteht oder dort auf der Heizleiterbahn ein zusätzliches Heizleitermaterial mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand vorgesehen bzw. aufgetragen ist. Bei der Erfindung kommen bevorzugt thermisch gespritzte bzw. kaltgasgespritzte Metalle oder Metalllegierungen, aber auch Dickschichtpasten, wie Silber/Palladium-Pasten, oder elektrische leitfähige Polymere, wie silbergefülltes Epoxid, zur Anwendung.An additional advantageous development of the heating device according to the invention is directed to the problem of so-called "hotspots". Hotspots to be considered in this context during operation sites are considered in a heater where sometimes significant excess temperatures occur. Such hotspots can occur due to local external contamination, but also due to the design caused at certain points of the heating element. For example, in the connection region of the heating device, it is not desirable for the heating conductor to convert electrical energy into heat there. But even at so-called reversal points of the heating element, which are necessary at least once at the open end of the pipe, the occurrence of such local overheating was found. Therefore, the Heizleiterbahn (s) are set at reversal points and in the connection area with respect to the remaining Heizleiterbahn that they have a lower resistivity at such locations. This can be achieved in principle by increasing the effective heating conductor cross section at reversal points or in the connection region, for example by providing more heating conductor material. Particularly preferred However, if the Heizleiterbahn at the reversal points or in the connection area of a resistive material having a higher conductivity than the remaining Heizleiterbahn or provided there on the Heizleiterbahn an additional Heizleitermaterial with a lower electrical resistance or is applied. In the invention, preference is given to using thermally sprayed or cold-gas sprayed metals or metal alloys, but also thick-film pastes, such as silver / palladium pastes, or electrically conductive polymers, such as silver-filled epoxide.

Hinsichtlich des Anschlussbereichs sei angemerkt, dass wenn die Anschlüsse und gegebenenfalls der Teil der Heizleiter vom Anschlussbereich bis zum Heizbereich des wenigstens einen Heizelements einen gegenüber dem übrigen Teil des Widerstands-Heizelements geringeren elektrischen Widerstand aufweisen, hierdurch der Anschlussbereich der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eine "kalte Zone" darstellt, d. h. eine Zone, in der nahezu keine Wärmeabgabe durch das Heizelement erfolgt. Dadurch wird zusätzlich sichergestellt, dass bei der Erfassung der Mediumstemperatur im Anschlussbereich diese richtig gemessen werden kann und nicht durch Wärme vom Heizleiter verfälscht wird.With regard to the connection region, it should be noted that if the connections and optionally the part of the heating conductors have a lower electrical resistance from the connection region to the heating region of the at least one heating element than the remaining part of the resistance heating element, the connection region of the heating device according to the invention thereby forms a "cold zone". represents, d. H. a zone in which almost no heat is dissipated by the heating element. This additionally ensures that when the medium temperature in the connection area is detected, it can be measured correctly and is not falsified by heat from the heating conductor.

Betreffend die Isolation und Abdichtung der elektrischen Widerstands-Heizleiterschicht gegenüber dem Medium als auch gegenüber dem Grundkörper sei noch angemerkt, dass von den verwendeten Materialien für die jeweiligen Abdeckschichten eine Hochspannungsfestigkeit von wenigstens 1250VAC, vorzugsweise 3750VAC, ein maximaler Ableitstrom von 0,75mA, vorzugsweise 0,25mA, eine chemische Stabilität gegenüber dem Medium in einem PH-Bereich von 5 bis 10, vorzugsweise 7 bis 10 und eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK, vorzugsweise von 10 bis 50W/mK erreicht werden.With regard to the insulation and sealing of the electrical resistance heating conductor layer with respect to the medium as well as with respect to the base body, it should be noted that of the materials used for the respective covering layers a high-voltage resistance of at least 1250VAC, preferably 3750VAC, a maximum leakage current of 0.75mA, preferably 0 , 25mA, a chemical stability to the medium in a PH range of 5 to 10, preferably 7 to 10 and a thermal conductivity of at least 1 W / mK, preferably from 10 to 50W / mK can be achieved.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung besteht in der Integration von einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung oder mehreren erfindungsgemäßen Heizvorrichtungen in ein Heizmodul, wobei im Wesentlichen zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich an der einen Heizvorrichtung oder den mehreren parallel angeordneten Heizvorrichtungen eine um den Grundkörper herumverlaufende Dichtung zur Abdichtung einer Einbauöffnung für das Heizmodul angeordnet ist. Eine solche Dichtung kann beispielsweise als eine Kegeldichtung ausgeführt sein, die beispielsweise mit einem für eine Dichtung geeigneten Material direkt mit gleichzeitiger entsprechender Formgebung an de Heizvorrichtung angespritzt wird. Damit ist gleichzeitig eine Abdichtung zwischen Heizbereich und Anschlussbereich gewährleistet.A development of the heating device according to the invention consists in the integration of a heating device according to the invention or several heating devices according to the invention in a heating module, wherein substantially between the connection area and the heating area on the one or more heating devices arranged in parallel to a running around the body seal to seal a mounting hole For the heating module is arranged. Such a seal can be embodied, for example, as a conical seal, which is injection-molded directly onto the heating device, for example with a material suitable for a seal, with simultaneous corresponding shaping. This ensures a seal between the heating area and the connection area at the same time.

Eine Weiterbildung des Heizmoduls bestehend darin, anstelle der oben genannten Dichtung eine Flanschbaugruppe mit Standardabmessungen vorzusehen. Eine solche Flanschbaugruppe weist dann im Wesentlichen wenigstens einen Flansch, ein Spannstück und eine zwischen Flansch und Spannstück angeordnete Dichtung auf, wobei die wenigstens eine Heizvorrichtungen an dem Flansch oder dem Spannstück fixiert sind und die Dichtung zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich angeordnet ist.A refinement of the heating module consisting of providing a flange assembly with standard dimensions instead of the above-mentioned seal. Such a flange assembly then essentially comprises at least one flange, a clamping piece and a seal arranged between flange and clamping piece, wherein the at least one heating devices are fixed to the flange or the clamping piece and the seal is arranged between the connection region and the heating region.

Weiter kann bei dem Heizmodul für die elektrische Kontaktierung der wenigstens einen Heizvorrichtung und gegebenenfalls eines oder mehrerer Sensorelemente ein Anschlusssteckteil, das beispielsweise einen genormten Steckanschluss bietet, vorgesehen sein.Further, in the heating module for the electrical contacting of the at least one heating device and optionally one or more sensor elements, a connection plug part, which for example offers a standardized plug connection, can be provided.

Das Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung der Erfindung besteht grundsätzlich aus den folgenden Schritten: Herstellen eines Grundkörpers; Aufbringen einer ersten elektrisch isolierenden Dielektrikumsschicht auf den Grundkörper mit einem der oben genannten thermischen Spritzverfahren; Aufbringen wenigstens einer strukturierten Heizleiterschicht auf die Dielektrikumsschicht mit einem der oben genannten thermischen Spritzverfahren; und Aufbringen einer elektrisch isolierenden, mediumsdichten und Antihaft-Eigenschaften aufweisenden Abdeckschicht auf die Heizvorrichtung wenigstens im Heizbereich, wobei Poren in der Dielektrikumsschicht und der Heizleiterschicht mediumsdicht versiegelt werden.The method for producing a heating device of the invention basically consists of the following steps: producing a basic body; Applying a first electrically insulating dielectric layer to the base body using one of the above-mentioned thermal spraying methods; Applying at least one structured heating conductor layer to the dielectric layer by one of the above-mentioned thermal spraying methods; and applying an electrically insulating, medium-tight and non-stick properties covering layer on the heater at least in the heating region, wherein pores in the dielectric layer and the Heizleiterschicht are sealed medium-tight.

Zusätzlich kann als weiterer Zwischenschritt das Aufbringen einer Haftschicht mit einem der oben genannten thermischen Spritzverfahren auf den Grundkörper zwischen dem Grundkörper und der Dielektrikumschicht vorgesehen werden.In addition, as an additional intermediate step, the application of an adhesive layer with one of the abovementioned thermal spraying methods onto the base body between the base body and the dielectric layer can be provided.

Der Schritt des Aufbringens einer elektrisch isolierenden, mediumsdichten und Antihaft-Eigenschaften aufweisenden Abdeckschicht kann neben einer Einschicht-Ausführung auch aus folgenden Zwischenschritten als Zweischicht-Ausführung mit folgenden Schritten ausgeführt werden: Aufbringen wenigstens im Heizbereich einer ersten die Poren in der Dielektrikumsschicht und der Heizleiterschicht mediumsdicht versiegelnden Versiegelungsschicht; und Aufbringen wenigstens im Heizbereich einer zweiten nanostrukturierten Anti-Soiling-Schicht über der Abdeckschicht. Dabei hat die nanostrukturierten Anti-Soiling-Schicht die Eigenschaften elektrisch gegenüber dem Medium zu isolieren.The step of applying an electrically insulating, medium-tight and non-stick properties having cover layer can be performed in addition to a single-layer embodiment of the following intermediate steps as a two-layer design with the following steps: applying at least in the heating of a first the pores in the dielectric layer and the heat conductor layer medium-tight sealing sealant layer; and applying at least in the heating region a second nanostructured anti-soiling layer over the cover layer. The nanostructured anti-soiling layer has to electrically isolate the properties from the medium.

Schließlich kann als weiterer Zwischenschritt nach dem Aufbringen der Dielektrikumsschicht zusätzlich ein Schritt vorgesehen sein des Herstellens von Dehnfugen in der Dielektrikumsschicht neben und/oder zwischen Heizleiterbahnen in der strukturierten Heizleiterschicht.Finally, as a further intermediate step after the application of the dielectric layer, a step may additionally be provided for producing expansion joints in the dielectric layer next to and / or between heating conductor tracks in the structured heating conductor layer.

Es hat sich weiter als günstig erwiesen, den Grundkörper vor dem Auftragen der ersten Abdeckschicht mittels Strahlen, Ätzen oder Schleifen aufzurauen. Anschließend wird die Dielektrikumsschicht mittels einem der oben genannten Verfahren, bevorzugt mittels thermischen Spritzverfahren oder Kaltgasspritzverfahren aufgetragen.It has also proved to be favorable to roughen the main body before applying the first covering layer by means of blasting, etching or grinding. Subsequently, the dielectric layer is applied by means of one of the abovementioned methods, preferably by means of thermal spraying or cold gas spraying.

Die Heizleiterschicht wird mittels einem der oben genannten Verfahren, vorzugsweise mittels einem thermischen oder einem kalten Spritzverfahren aufgetragen. Dabei ist es möglich durch Laserstrukturierung, Wasserstrahlschneiden, Laser Micro Jet Verfahren, Sandstrahlen, Ätzen, Fräsen oder Schleifen der vollflächig aufgetragenen Heizleiterschicht die gewünschte Heizleiterstruktur zu geben, wodurch unterschiedliche Temperaturbereiche geschaffen werden können, aber auch die elektrische Heizleitung der Heizvorrichtung bei gegebener Versorgungsspannung eingestellt werden kann.The heating conductor layer is applied by means of one of the abovementioned methods, preferably by means of a thermal or a cold spraying method. It is possible by laser structuring, water jet cutting, laser micro jet method, sandblasting, etching, milling or grinding of the entire surface applied Heizleiterschicht to give the desired Heizleiterstruktur, whereby different temperature ranges can be created, but also the electrical heating of the heater can be set at a given supply voltage can.

Es ist auch möglich, die Heizleiterstruktur durch eine Schablonetechnik zu erzeugen. Dabei wird eine Schablone aus einem Antihaftmaterial auf der Dielektrikumsschicht aufgebracht (Auflaminiert oder Siebgedruckt) und anschließend die Heizleiterschicht aufgetragen. Nach dem Auftragen der Heizleiterschicht wird die Schablone dann wieder entfernt. Jedoch wurden Heizleiterstrukturen auch erfolgreich durch direktes strukturiertes Beschichten mit einem feinen Beschichtungsstrahl erzeugt.It is also possible to produce the heating conductor structure by a stencil technique. In this case, a template made of a non-stick material on the dielectric layer is applied (laminated or screen printed) and then applied the Heizleiterschicht. After applying the heat conductor layer, the template is then removed again. However, heating conductor structures have become also successfully produced by direct structured coating with a fine coating jet.

Weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Erläuterungen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zusammen mit den Zeichnungsfiguren erläutert. Die hierbei verwendeten Begriffe "links", "rechts", "unten" und "oben" beziehen sich auf die Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Figurenbezeichnungen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass in den einzelnen Zeichnungsfiguren mit gleicher Leitziffer (z. B. Leitziffer 2: Fig. 2a, 2b) gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es zeigt:

Fig. 1
eine Draufsicht auf ein Rohrheizelement des Standes der Technik;
Fig. 2a
eine Seitenansicht, einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung mit SMD-Temperaturerfassungselement;
Fig. 2b
eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung der Fig. 2a;
Fig. 3a
eine Seitenansicht, einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung, wobei ein Temperaturerfassungselement in dem verschlossenen Rohrende des Grundkörpers angeordnet ist;
Fig. 3b
eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung der Fig. 3a;
Fig. 4
eine Draufsicht auf ein Heizmodul mit zwei erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen;
Fig. 5a
eine Seitenansicht eines Heizmoduls mit einer Flanschbaugruppe;
Fig. 5b
eine Schnittansicht des Heizmoduls der Fig. 5a;
Fig. 6
eine Detailansicht eines Heizleiterumkehrpunktes auf einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung;
Fig. 7a-7d
jeweils eine Querschnittsansicht der Anordnung der Funktionsschich- ten in verschiedenen Ausführungen;
Fig. 7e
eine Querschnittdarstellung der Funktionsschichten gemäß einer weiteren Ausführung; und
Fig. 8
eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Heizvorrichtung der Erfindung.
Further advantages of the invention will be explained in connection with the explanations of embodiments of the present invention together with the drawing figures. The terms "left", "right", "bottom" and "top" used herein refer to the drawing figures with normally legible figure names. Furthermore, it should be pointed out that in the individual drawing figures with the same leading digit (for example, key figure 2: Fig. 2a, 2b ) like parts are identified by like reference numerals. It shows:
Fig. 1
a plan view of a tube heater of the prior art;
Fig. 2a
a side view, a first embodiment of the thick film tube heater according to the invention with SMD temperature sensing element;
Fig. 2b
a sectional view of the thick-film tube heater of Fig. 2a ;
Fig. 3a
a side view, a second embodiment of the thick-film tube heater according to the invention, wherein a temperature detecting element is arranged in the closed tube end of the base body;
Fig. 3b
a sectional view of the thick-film tube heater of Fig. 3a ;
Fig. 4
a plan view of a heating module with two thick-film tube heaters according to the invention;
Fig. 5a
a side view of a heating module with a flange assembly;
Fig. 5b
a sectional view of the heating module of Fig. 5a ;
Fig. 6
a detailed view of a Heizleiterumkehrpunktes on a thick film tube heater according to the invention;
Fig. 7a-7d
each a cross-sectional view of the arrangement of the functional in various designs;
Fig. 7e
a cross-sectional view of the functional layers according to another embodiment; and
Fig. 8
a perspective view of an embodiment of a heating device of the invention.

Fig. 2a zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Heizung, die als Dickschicht-Rohr-Heizung 200 ausgeführt ist. Deutlich zu erkennen ist ein rohrförmige Grundkörper 201 mit einem offenen Rohrende 202 und einem geschlossenen Rohrende 204, das mit einem Deckel 206 verschlossen ist. Fig. 2a shows a plan view of an embodiment of a thick-film heater according to the invention, which is designed as a thick-film pipe heater 200. Clearly visible is a tubular body 201 with an open tube end 202 and a closed tube end 204 which is closed by a cover 206.

In der Fig. 1 ist die Dickschicht-Rohr-Heizung 200 schematisch in Einbaulage in eine Bottichwand 210 dargestellt. Zur Befestigung in und gleichzeitiger Abdichtung der Einbauöffnung der Bottichwand 210 ist an der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 eine Dichtung 220 in Form einer Kegeldichtung aufgespritzt. Der Anschlussbereich liegt damit auf der trockenen Seite des Bottichs und erstreckt sich von dem geschlossenen Rohrende 204 bis zur Bottichwand 210 definierten Ebene. Damit liegt der Heizbereich der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 auf der rechten Seite der Bottichwand 210 im so genannten nassen Bereich, d. h. steht im Betrieb im direkten Kontakt mit dem zu erhitzenden Medium. Der Heizbereich erstreckt sich etwa von der Bottichwand 210 bis zum offenen Rohrende 202.In the Fig. 1 For example, the thick-film pipe heater 200 is shown schematically in a mounting position in a tub wall 210. For attachment in and simultaneous sealing of the installation opening of the tub wall 210, a seal 220 in the form of a conical seal is sprayed onto the thick-layer tube heater 200. The connection area thus lies on the dry side of the tub and extends from the closed tube end 204 to the tub wall 210 defined plane. Thus, the heating area of the thick-film pipe heater 200 lies on the right-hand side of the tub wall 210 in the so-called wet area, ie is in direct contact with the medium to be heated during operation. The heating area extends approximately from the tub wall 210 to the open tube end 202.

Deutlich zu erkennen sind Strömungsöffnungen 230, die über den gesamten Heizbereich regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Strömungsöffnungen 230 weisen hier die Form von Langlöchern auf, die schräg zu einem senkrechten Rohrquerschnitt mit einem Winkel α in dem Grundkörper 201 der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 ausgebildet sind.Clearly visible are flow openings 230, which are arranged regularly spaced from each other over the entire heating area. The flow openings 230 here have the shape of oblong holes, which are formed obliquely to a vertical pipe cross-section with an angle α in the base body 201 of the thick-film pipe heater 200.

Weiter ist auf dem Grundkörper 201 der Heizleiter 240 aufgetragen, der sich bifilaren geführt über den gesamten Heizbereich erstreckt. Dabei verlaufen jeweils eine Leiterbahn 242 als Hin-Leiter und eine Leiterbahn 244 als Rück-Leiter parallel zueinander mit einer Steigung, die im Wesentlichen dem Winkel α der Strömungsöffnungen 230 entspricht.Next, the heating element 240 is applied to the base body 201, which extends bifilar guided over the entire heating area. In this case, each run a conductor 242 as a forward conductor and a conductor 244 as a return conductor parallel to each other with a slope substantially the angle α of Flow openings 230 corresponds.

Im Anschlussbereich sind elektrische Anschlüsse 252 und 254 für den Heizleiter 240 angeordnet. Dabei sei angemerkt, dass, wie eingangs erwähnt, die elektrischen Anschlüsse 252, 254 durch Verwendung eines Materials mit einem geringeren elektrischen Widerstand oder durch Auftrag von zusätzlichem Leiterbahnmaterial im Vergleich zu dem restlichen Heizleiter 240 als so genannte kalte Anschlüsse ausgeführt sind. Weiter ist in dem Anschlussbereich ein Temperatursensor 260 zur Erfassung der Temperatur des zu erhitzenden Mediums vorgesehen. Es sei angemerkt, dass die elektrischen Anschlüsse des Temperatursensors 260 in der Fig. 2a nicht zu erkennen sind, diese sind jedoch grundsätzlich ähnlich ausgeführt wie die elektrischen Anschlüsse bzw. Leiterbahnen des Heizleiters 240.In the connection area, electrical connections 252 and 254 for the heating conductor 240 are arranged. It should be noted that, as mentioned above, the electrical connections 252, 254 are made by using a material with a lower electrical resistance or by applying additional interconnect material compared to the remaining heating conductor 240 as so-called cold connections. Furthermore, a temperature sensor 260 for detecting the temperature of the medium to be heated is provided in the connection region. It should be noted that the electrical connections of the temperature sensor 260 in the Fig. 2a can not be seen, but these are basically designed similar to the electrical connections or interconnects of the heat conductor 240th

Fig. 2b zeigt eine Schnittansicht der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 aus der Fig. 2a. Es sei angemerkt, dass im Folgenden nur zusätzliche erkennbare Merkmale gegenüber der Fig. 2a erläutert werden. Gut zu erkennen ist in Fig. 2b einer der grundsätzlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 200, der darin besteht, dass im Heizbereich sowohl die Außenfläche 212 als auch die Innenfläche 214 des rohrförmigen Grundkörpers 201 mit dem zu erhitzenden Medium in Kontakt steht. Dadurch wird zusammen mit den regelmäßig beabstandeten Strömungsöffnungen 230 eine optimale Zirkulation des zu erhitzenden Mediums an bzw. entlang der Oberfläche der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 und damit eine schneller Wärmeabtransport sichergestellt. Fig. 2b shows a sectional view of the thick film tube heater 200 of the Fig. 2a , It should be noted that hereinafter only additional recognizable features over the Fig. 2a be explained. Good to see in Fig. 2b one of the fundamental advantages of the thick-film tube heater 200 according to the invention, which is that in the heating region both the outer surface 212 and the inner surface 214 of the tubular base 201 are in contact with the medium to be heated. Thereby, together with the regularly spaced flow openings 230, an optimal circulation of the medium to be heated on or along the surface of the thick-film pipe heater 200 and thus a faster removal of heat is ensured.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das zu erhitzende Medium auch im Anschlussbereich an der Innenfläche 214 mit dem Grundkörper 201 der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 in Kontakt steht und somit im Anschlussbereich mittels des Temperatursensors 260 sehr genau und unverfälscht durch die Heizwirkung des Heizleiters erfasst werden kann.Another advantage is that the medium to be heated is also in the connection area on the inner surface 214 with the main body 201 of the thick-film tube heater 200 in contact and thus detected in the connection area by means of the temperature sensor 260 very accurately and unadulterated by the heating effect of the heating can be.

Deutlich zu erkennen in der Fig. 2b ist auch die Ausführung der kegelförmigen Dichtung 220, die beispielsweise am Ende der Herstellung der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 200 zwischen Anschlussbereich und Heizbereich außen mittels einem Spritzverfahren aufgeformt werden kann. Zum einen wird durch diese Ausführung eine einfache Abdichtung des Anschlussbereichs gegenüber dem Medium an dem Übergang zwischen der Außenfläche 212 und der Dichtung 220 sichergestellt und zum anderen stellt die Dickschicht-Rohr-Heizung 200 zusammen mit der Dichtung 220 ein Heizmodul dar, das an dem Ort der bestimmungsgemäßen Verwendung sehr einfach eingebaut werden kann.Clearly visible in the Fig. 2b is also the embodiment of the conical seal 220, which can be formed, for example, at the end of the production of the thick-film tube heater 200 according to the invention between the connection area and heating area outside by means of a spraying process. On the one hand This embodiment ensures a simple sealing of the connection area with the medium at the transition between the outer surface 212 and the seal 220, and secondly, the thick-layer tube heater 200, together with the seal 220, forms a heating module which is at the place of intended use Use very easy to install.

Die Fig. 3a zeigt eine Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied der in der Fig. 3a dargestellten Dickschicht-Rohr-Heizung 300 gegenüber der in den Fig. 2a und 2b dargestellten Dickschicht-Rohr-Heizung 200 besteht in der Integration eines Temperatursensors 360 (Fig. 3b) am verschlossenen Rohrende 304 des rohrförmigen Grundköpers 301. Anstelle des Deckels 206 in der Fig. 2a bzw. 2b wird in der Ausführungsform der Dickschicht-Rohr-Heizung 300 in der Fig. 3a das verschlossene Rohrende 304 durch Integration des Temperatursensors 360 in dieses Rohrende 304 verschlossen. Dabei kann beispielsweise ein handelsübliches NTC/PTC-Element in einer Metallhülse, z. B. einer Chromnickel-Stahlhülse, zum Einsatz kommen, wobei die Stahlhülse zugleich als Gehäuse für den Sensor als auch als Deckel für den rohrförmigen Grundkörper 301 am verschlossenen Rohrende 304 fungiert.The Fig. 3a shows a side view of a second embodiment of the invention. The main difference in the Fig. 3a illustrated thick-film pipe heater 300 opposite to in the Fig. 2a and 2b illustrated thick-film tube heater 200 consists in the integration of a temperature sensor 360 ( Fig. 3b ) at the closed tube end 304 of the tubular Grundko body 301. Instead of the cover 206 in the Fig. 2a and 2b is in the embodiment of the thick film tube heater 300 in the Fig. 3a closed the tube end 304 by integration of the temperature sensor 360 in this pipe end 304. In this case, for example, a commercially available NTC / PTC element in a metal sleeve, for. As a chromium-nickel steel sleeve, are used, wherein the steel sleeve also acts as a housing for the sensor as well as a lid for the tubular body 301 at the closed end of the pipe 304.

Als besonders vorteilhaft ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass hier ein handelsüblicher Temperatursensor mit einem Steckanschluss 362, beispielsweise in Form eines so genannten RAST-Gehäuses, verwendet werden kann. In der Fig. 3b ist der mit dem gestrichelten Kreis D gekennzeichnete Ausschnitt der Fig. 3a als Detailschnitt dargestellt. Besonders gut ist die Integration des Temperatursensors 360 mit einer Hülse in den rohrförmigen Grundkörper 301 zu erkennen. Die Hülse des Temperatursensors 360 kann beispielsweise mit dem rohrförmigen Grundköper 301 formschlüssig durch Schweißen am Rohrrand 308 verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 300 kann somit eine sehr genaue Temperaturüberwachung des zu erhitzenden Mediums garantiert werden, da, wie in dem Detailschnitt D der Fig. 3b deutlich zu erkennen ist, die Hülse des Temperatursensors 360 mit der dem zu erhitzenden Medium zugewandten Außenseite 364 nahezu vollständig in Kontakt steht.It should be mentioned as particularly advantageous at this point that a commercially available temperature sensor with a plug connection 362, for example in the form of a so-called RAST housing, can be used here. In the Fig. 3b is the section marked with the dotted circle D of Fig. 3a shown as a detail section. Particularly well, the integration of the temperature sensor 360 can be seen with a sleeve in the tubular body 301. The sleeve of the temperature sensor 360 can, for example, be connected in a form-fitting manner to the tubular base body 301 by welding at the pipe edge 308. In this embodiment, the thick-film tube heater 300 according to the invention thus a very accurate temperature monitoring of the medium to be heated can be guaranteed because, as in the detail section D of Fig. 3b clearly visible, the sleeve of the temperature sensor 360 with the medium to be heated facing the outside 364 is almost completely in contact.

In der Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein Heizmodul mit zwei erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401 und 402 gezeigt, die hinsichtlich ihres Aufbaus im Wesentlichen dem der Dickschicht-Rohr-Heizung 200 der Fig. 2a bzw. 2b entsprechen. Das in der Fig. 4 gezeigte Heizmodul 400 ist ein Beispiel dafür, wie mehrere der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen besonders einfach und vorteilhaft zueinander parallel angeordnet in ein Heizmodul integriert werden können. Dabei können die einzelnen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 je nach Anforderung des jeweiligen Einsatzgebiets sowohl elektrisch parallel als auch in Serie verschaltet werden.In the Fig. 4 a plan view of a heating module with two thick-film tube heaters 401 and 402 according to the invention is shown, the structure of which substantially the thick-film tube heater 200 of the Fig. 2a and 2b respectively. That in the Fig. 4 Heating module 400 shown is an example of how several of the thick-film pipe heaters according to the invention can be integrated particularly simple and advantageous parallel to each other in a heating module. The individual thick-film pipe heaters 401, 402 can be connected both electrically in parallel and in series, depending on the requirements of the respective field of use.

Das Heizmodul 400 besitzt zum Einbau in eine Bottichwand 410 eine Dichtung 420, die wiederum zwischen dem Anschlussbereich und dem Heizbereich der jeweiligen Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 angeordnet ist. Bei der Dichtung 420 handelt es sich im Wesentlichen wieder um eine Kegeldichtung, die einen besonders einfachen Einbau in die Bottichwand 410 ermöglicht. Um ein einfaches elektrisches Anschließen der vorhandenen Absicherungseinrichtungen bzw. der Anschlüsse der Heizleiterbahnen zu ermöglichen, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein so genanntes RAST-Gehäuse 430 mit zwei Steckanschlüssen 432, 434 zwischen den beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 401, 402 vorgesehen.The heating module 400 has a seal 420 for installation in a tub wall 410, which in turn is arranged between the connection area and the heating area of the respective thick-film tube heaters 401, 402. The seal 420 is essentially again a conical seal, which allows a particularly simple installation in the tub wall 410. In order to enable a simple electrical connection of the existing safety devices or the connections of the heating conductors, a so-called RAST housing 430 with two plug connections 432, 434 between the two thick-film tube heaters 401, 402 is provided in this embodiment.

Da sich auf dem Gebiet der Heizelemente für Waschmaschinen, Geschirrspüler etc. bestimmte Abmessungen hinsichtlich der Einbauöffnung in den jeweiligen Bottichen als Quasi-Standard eingebürgert haben, können die erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizungen selbstverständlich auch besonders vorteilhaft mit einer entsprechenden Flanschbaugruppe in ein Heizmodul integriert werden, wobei die äußeren Abmessungen der Flanschbaugruppe dann diesem Quasi-Standard der Haushaltsgerätebranche angepasst sind. Hier ergibt sich der Vorteil, dass Hersteller der Haushaltsgerätebranche, die diese neuen Heizelemente verwenden wollen, die Einbauöffnungen an ihren Geräten nicht anpassen bzw. ändern müssen. Damit kann die alte Technologie der Rohrheizelemente ohne Probleme und ohne jeglichen Zeit- bzw. Entwicklungsaufwand gegen die neue Technologie gemäß der vorliegenden Erfindung ausgetauscht werden.Since in the field of heating elements for washing machines, dishwashers, etc. certain dimensions have become established as a quasi-standard with respect to the installation opening in the respective tubs, the thick-film tube heaters according to the invention can of course also be integrated with a corresponding flange assembly into a heating module , wherein the outer dimensions of the flange assembly are then adapted to this quasi-standard of the household appliance industry. This has the advantage that manufacturers of the household appliance industry, who want to use these new heating elements, do not adapt the installation openings on their devices or have to change. Thus, the old technology of tubular heating elements can be replaced without problems and without any time or development effort against the new technology according to the present invention.

Ein Beispiel für ein Heizmodul 500 mit Standard-Flanschbaugruppe ist in den Fig. 5a und 5b gezeigt. In Fig. 5a sieht man eine Seitenansicht des Heizmoduls 500 mit einer Flanschbaugruppe 510, die im Wesentlichen aus einem Flansch 512, einer Dichtung 514 und einem Spannstück 516 besteht. Links von der Flanschbaugruppe 510 ist der Anschlussbereich einer von den zwei Dickschicht-Rohr-Heizungen (Fig. 5b: 501, 502) des Heizmoduls 500 zu erkennen. In dem Anschlussbereich befinden sich die beiden elektrischen Anschlüsse 522, 524 und auch die entsprechenden Anschlüsse für einen in SMD-Ausführung vorgesehenen Temperatursensor 530. Weiter ist eine Anschlussfahne 518 zum Anschluss eines Schutzleiters an den Flansch 512 zu erkennen.An example of a heating module 500 with standard flange assembly is shown in FIGS Fig. 5a and 5b shown. In Fig. 5a 2 shows a side view of the heating module 500 with a flange assembly 510, which consists essentially of a flange 512, a seal 514 and a clamping piece 516. To the left of the flange assembly 510 is the mating portion of one of the two thick film tube heaters (FIG. Fig. 5b : 501, 502) of the heating module 500. In the connection area, there are the two electrical connections 522, 524 and also the corresponding connections for a temperature sensor 530 provided in SMD design. Furthermore, a connection lug 518 for connecting a protective conductor to the flange 512 can be seen.

Etwas genauer ist die Integration der beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 501 und 502 in das Heizmodul 500 in der Fig. 5b dargestellt, die eine Draufsicht auf einen Querschnitt des Heizmoduls 500 der Fig. 5a zeigt. Dabei ist gut zu sehen, dass die beiden Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 jeweils mechanisch in bzw. an dem Flansch 512 fixiert sind, wobei die Dichtung 514 zwischen dem Flansch 512 und dem Spannstück 516 angeordnet ist. Zentral in der Flanschbaugruppe 510 ist ein Durchgangsloch vorgesehen, das sich sowohl durch das Spannstück 516, die Dichtung 514 sowie den Flansch 512 erstreckt, wobei durch dieses Durchgangsloch eine Schraube 542 geführt ist, die mit einem Schraubenende 543 in das Spannstück 516 eingepresst und dadurch gegen ein Verdrehen gegenüber dem Spannstück 516 gesichert ist. Das dem Schraubenende 543 gegenüberliegende Schraubenende 544 steht aus dem Flansch hervor und ist dort mit einer Mutter 545 versehen. Wenn die Mutter 545 angezogen wird, presst das Spannstück 516 die Dichtung 514 gegen den an den Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 fixierten Flansch 512. Dadurch quillt die Dichtung 514 am Randbereich auf und dichtet sich gegen die Einbauöffnung des Behälters (nicht gezeigt) ab. Es sei angemerkt, dass die Flanschbaugruppe 510 auch so konzipiert sein kann, dass das Spannstück 516 an den Dickschicht-Rohr-Heizungen 501, 502 fixiert ist und der Flansch 512 beweglich bleibt.More precisely, the integration of the two thick-film tube heaters 501 and 502 in the heating module 500 in the Fig. 5b shown a plan view of a cross section of the heating module 500 of Fig. 5a shows. It can easily be seen that the two thick-film tube heaters 501, 502 are each mechanically fixed in or on the flange 512, wherein the seal 514 is arranged between the flange 512 and the clamping piece 516. Centrally in the flange assembly 510, a through hole is provided which extends through both the clamping piece 516, the seal 514 and the flange 512, through which through-hole a screw 542 is guided, which is pressed with a screw 543 in the clamping piece 516 and thereby against a rotation relative to the clamping piece 516 is secured. The screw end 544 opposite the screw end 543 protrudes from the flange and is provided there with a nut 545. When the nut 545 is tightened, the collet 516 presses the seal 514 against the flange 512 fixed to the thick film tube heaters 501, 502. As a result, the seal 514 swells at the periphery and seals against the mounting opening of the container (not shown). from. It should be noted that the flange assembly 510 is also designed this way may be that the clamping piece 516 is fixed to the thick-film tube heaters 501, 502 and the flange 512 remains movable.

Im Folgenden sollen noch einige Anmerkungen betreffend die Herstellung der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung gemacht werden. Als Träger für die Funktionsschichten der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung eignet sich besonders aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit ein Edelstahlrohr, insbesondere aus einem austinitischen oder ferritischen Edelstahl. Als Grundköper kann aber grundsätzlich ein beliebiges Metallrohr verwendet werden, bei dem gegebenenfalls ein zusätzlicher Korrosionsschutz aufgetragen wird; bevorzugt wird der rohrförmige Grundkörper, oder jeder andere geometrischer Grundkörper aus einem Kaltbandstahlabschnitt gefertigt.In the following, a few more comments are to be made concerning the production of the thick-film pipe heater according to the invention. As a carrier for the functional layers of the thick-film pipe heater according to the invention, a stainless steel pipe, in particular of an austinitic or ferritic stainless steel, is particularly suitable because of its corrosion resistance. As Grundköper but basically any metal pipe can be used, in which optionally an additional corrosion protection is applied; Preferably, the tubular base body, or any other geometric base body is made of a cold strip steel section.

Da sich fertigungstechnisch das Anbringen der Strömungsöffnungen, beispielsweise in der Form von Bohrungen oder Langlöchern, in ein Rohr als zeitaufwendig und arbeitsintensiv gestaltet, hat sich bei der Herstellung für den Grundköper in Rohrform für die Dickschicht-Rohr-Heizung als vorteilhaft herausgestellt, einen rohrförmigen Grundköper aus einem flachen Materialstreifen, in den die Strömungsöffnungen eingestanzt werden bzw. sind, durch Wickeln und anschließendes formschlüssiges Verbinden der Stoßkanten herzustellen. Dieser Grundköper wird anschließend an dem Rohrende, an dem der Anschlussbereich vorgesehen werden soll, mit einem Deckel verschlossen oder, falls in dem Rohrende der Einbau eines Temperatursensors mit entsprechender hülsenförmigen Gehäuse vorgesehen ist, offen gelassen. Es kann aber auch an dieser Stelle eine entsprechende Hülse, bevorzugt aus demselben Material wie der Grundkörper, anstelle des Deckels angebracht werden.Since manufacturing technology attaching the flow openings, for example in the form of holes or slots in a tube designed as time-consuming and labor-intensive, has proven in the production of the basic body in tubular form for the thick-film pipe heating advantageous, a tubular Grundköper from a flat strip of material, in which the flow openings are punched or are to produce, by winding and then form-fitting connection of the abutting edges. This Grundköper is then closed at the pipe end to which the connection area is to be provided with a lid or, if provided in the pipe end, the installation of a temperature sensor with corresponding sleeve-shaped housing, left open. But it can also be attached at this point a corresponding sleeve, preferably made of the same material as the body, instead of the lid.

Bevor auf den rohrförmigen Grundköper die Funktionsschichten der Dickschicht-Rohr-Heizung aufgetragen werden, kann noch ein zusätzlicher vorbereitender Verfahrensschritt eingefügt werden, der darin besteht, die Oberfläche des rohrförmigen Grundköpers durch ein strahlendes, ätzendes oder schleifendes Verfahren geeignet aufzurauen.Before the functional layers of the thick-film tube heater are applied to the tubular base body, an additional preparatory method step may be inserted, which consists of suitably roughening the surface of the tubular base body by a radiating, etching or grinding process.

Da es sich bei dem bevorzugten Material für den Grundköper um ein Metall handelt, das naturgemäß selber elektrisch leitfähig ist, muss der Grundköper gegenüber dem aufzutragenden Heizleiter elektrisch isoliert werden. Dazu wird im nächsten Schritt eine erste elektrisch isolierende Dielektrikumsschicht auf den Grundköper im Wesentlichen auf die gesamte Oberfläche des Grundkörpers aufgetragen. Schließlich ist auch ein Mehrlagen- bzw. Mehrschichtaufbau denkbar, beispielsweise zur Verbesserung des thermischen Ausdehnungsverhaltens. Bevorzugt wird die Dielektrikumsschicht mittels einem der eingangs genannten Verfahren aufgetragen. Als erste elektrisch isolierende Dielektrikumsschicht und gleichzeitiger Korrosionsschutz eignet sich auch eine Emaille- oder Glasschicht.Since the preferred material for the base body is a metal which is inherently electrically conductive, the base body must be electrically insulated from the heat conductor to be applied. For this purpose, in the next step, a first electrically insulating dielectric layer is applied to the base body substantially over the entire surface of the base body. Finally, a multi-layer or multi-layer structure is conceivable, for example, to improve the thermal expansion behavior. Preferably, the dielectric layer is applied by means of one of the aforementioned methods. As the first electrically insulating dielectric layer and simultaneous corrosion protection, an enamel or glass layer is also suitable.

Um die vorstehend diskutierte Problematik der Rissbildung bei einer Dickschicht-heizung in den Funktionsschichten weiter zu vermindern, können an dieser Stelle des Herstellungsverfahrens Dehnungsfugen in der ersten Abdeckschicht vorgesehen werden, vorzugsweise werden diese Dehnungsfugen so angeordnet, dass diese zwischen und/oder neben den später aufzutragenden Heizleiterbahnen liegen. Die Dehnungsfugen können mittels einem Wasserstrahlschneidverfahren, Laserabtragungsverfahren oder anderen geeigneten mechanischen Verfahren, wie beispielsweise Schleifen, Fräsen, Strahlen (in Schablonentechnik oder direkt angewendet) erzeugt werden. Aber auch chemische Verfahren, wie Ätzen, können zur Anwendung kommen.In order to further reduce the problem of crack formation in thick-film heating in the functional layers discussed above, expansion joints may be provided in the first cover layer at this point in the production process. Preferably, these expansion joints are arranged such that they are between and / or adjacent to those to be applied later Heizleiterbahnen lie. The expansion joints may be produced by means of a water jet cutting process, laser ablation processes or other suitable mechanical processes such as grinding, milling, blasting (in stencil technology or directly applied). But also chemical processes, such as etching, can be used.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass, da es sich bei der Dielektrikumsschicht um eine poröse Schicht, insbesondere eine Schicht mit offenen Poren handelt, um eine ausreichende Abdichtung, vor allem der Stirnflächen der Dielektrikumsschicht gegenüber dem zu erhitzenden Medium im späteren Einsatz sicherzustellen, auch der Bereich rund um die Ränder der Strömungsöffnungen und an den Rohrenden bzw. den Kanten des Grundkörpers nicht von der Dielektrikumsschicht bedeckt werden sollte. Dies kann erreicht werden, indem die Langlöcher bzw. die Rohrenden vor dem Aufbringen der Dielektrikumsschicht maskiert werden. Aber es ist auch möglich, die erste Abdeckschicht ganzflächig aufzutragen und anschließend mittels einem geeigneten abtragenden Verfahren (Abrasivverfahren) gezielt zu entfernen; hier seien beispielsweise Wasserstrahlschneiden und Laserabtragen genannt, aber auch jedes andere geeignete mechanische Verfahren, wie Schleifen, Fräsen oder Abrasivstrahlen mittels Schablonentechnik oder in direkter Anwendung, kann verwendet werden. Auch chemische abtragende Verfahren, wie Ätzen, sind möglich.At this point, it should again be pointed out that, since the dielectric layer is a porous layer, in particular a layer with open pores, in order to ensure a sufficient sealing, in particular of the end faces of the dielectric layer in relation to the medium to be heated in later use, Also, the area around the edges of the flow openings and at the pipe ends or the edges of the body should not be covered by the dielectric layer. This can be achieved by masking the slots or tube ends before applying the dielectric layer. But it is also possible to apply the first covering layer over the entire surface and then selectively remove it by means of a suitable abrasive method (abrasive process); here are for example water jet cutting and laser ablation, but also any other suitable mechanical method, such as grinding, milling or abrasive blasting using stencil technology or in direct application, can be used. Even chemical ablation processes, such as etching, are possible.

Nach dem Herstellen der ersten Abdeckschicht und ggf. der Dehnungsfugen wird die Heizleiterschicht auf dem rohrförmigen Grundköper aufgebracht. Für die Heizleiterschicht eignen sich grundsätzlich Metalle, Metalllegierungen, Keramik-Metall-Verbundstoffe (sog. Metal Matrix Composits oder Cermets), die mittels einem der eingangs genannten Verfahren auf die Dielektrikumsschicht aufgetragen werden. Auch wurden erfolgreiche Versuche mittels in Siebdruck aufgebrachten und anschließend gebrannten Widerstandspasten unternommen.After producing the first covering layer and, if necessary, the expansion joints, the heating conductor layer is applied to the tubular base body. In principle, metals, metal alloys, ceramic-metal composites (so-called metal matrix composites or cermets) which are applied to the dielectric layer by means of one of the methods mentioned at the outset are suitable for the heating conductor layer. Successful trials have also been undertaken by means of screen-printed and subsequently fired resistor pastes.

Da die elektrischen Anschlüsse der Heizleiter vorzugsweise an einem Rohrende des rohrförmigen Grundkörpers kontaktierbar vorgesehen werden, wird der Heizleiter bevorzugt bifilar über die Oberfläche des Grundkörpers geführt und daher muss am offenen Rohrende ein Umkehrpunkt vorgesehen werden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass beim Auftragen der Heizleiterschicht die Möglichkeit zur Ausbildung verschiedener Temperaturzonen durch Variation der Heizleiterdicke, Heizleiterbreite oder auch durch Variation des Abstands zw. den Heizleiterbahnen möglich ist.Since the electrical connections of the heating conductors are preferably provided contactable on a pipe end of the tubular body, the heating element is preferably performed bifilar over the surface of the body and therefore a reversal point must be provided at the open end of the pipe. At this point it should be noted that when applying the Heizleiterschicht the possibility of forming different temperature zones by varying the Heizleiterdicke, Heizleiterbreite or by varying the distance between the Heizleiterbahnen is possible.

Dieser Aspekt ist in der Fig. 6 in einer Detailansicht eines Heizleiterumkehrpunktes 630 auf einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung 600 dargestellt. Die Detailzeichnung zeigt das offene Rohrende 602 des rohrförmigen Grundkörpers 601 mit den Heizleiterbahnen 610 und einer Strömungsöffnung 620. An dem Heizleiterumkehrpunkt 630 tritt in der Heizleiterführung zwangsläufig auf sehr kleinem Raum eine 180°-Wendung auf, an der beide Heizleiterbahnen 611, 612 des bifilaren Heizleiters 610 aufeinander treffen. An solchen Heizleiterumkehrpunkten 630 hat sich gezeigt, dass dort deutlich höhere elektrische Stromdichten auftreten, wodurch ein Hotspot entsteht. Dieser Problematik wird durch zusätzliches Auftragen von Leiter(bahn)material 632 an solchen Heizleiterumkehrpunkten 630 (dasselbe ist prinzipiell auch an den Kontaktierungsstellen im Anschlussbereich möglich) entgegengewirkt. Durch diese Maßnahme kann eine wesentliche Verringerung des spezifischen Widerstands der Leiterbahn 610 an solchen Stellen und damit eine deutliche Temperaturreduzierung sichergestellt werden. Als zusätzliches Leiter(bahn)material 632 eignen sich besonders Materialien wie beispielsweise eine Silber/Palladium-Paste, die nach Auftragen der Heizleiterschicht an den Kontaktierungsstellen bzw. den Umkehrpunkten aufgetragen wird, aber auch elektrisch leitfähige Polymere, wie z. B. silbergefülltes Epoxid, oder Metalle bzw. Metalllegierungen, die thermisch aufgespritzt bzw. kaltgasgespritzt werden können.This aspect is in the Fig. 6 in a detailed view of a Heizleiterumkehrpunktes 630 on a thick-film tube heater 600 according to the invention. The detailed drawing shows the open tube end 602 of the tubular base body 601 with the Heizleiterbahnen 610 and a flow opening 620. At the Heizleiterumkehrpunkt 630 occurs in the Heizleiterführung inevitably on a very small space a 180 ° turn on the two Heizleiterbahnen 611, 612 of the bifilar heating 610 meet each other. At such Heizleiterumkehrpunkten 630 has been shown that there occur significantly higher electrical current densities, creating a hot spot. This problem is caused by additional application of conductor material 632 at such Heizleiterumkehrpunkten 630 (the same is in principle also at the contacting points in the connection area possible) counteracted. By this measure, a significant reduction in the resistivity of the conductor 610 at such locations and thus a significant reduction in temperature can be ensured. As an additional conductor (web) material 632 are particularly suitable materials such as a silver / palladium paste, which is applied after application of the heat conductor layer at the contacting points or the reversal points, but also electrically conductive polymers such. As silver-filled epoxy, or metals or metal alloys that can be thermally sprayed or cold sprayed.

Nach dem Auftragen der Heizleiterschicht und entsprechender Behandlung der Kontaktierungsbereiche bzw. Umkehrpunkte werden die Poren der porösen Dielektrikumsschicht und der porösen Widerstands-Heizleiterschicht mittels eines Ein- oder Mehrschichtsystems versiegelt und elektrisch isoliert gegenüber dem Medium im Betrieb isoliert. Dazu werden - wie eingangs geschildert - eine Versiegelungsschicht und das Topcoat bei einem Zwei-Schichtverfahren bzw. eine einzige Schicht die alle erforderlichen Eigenschaften besitzt in einem Ein-Schichtverfahren aufgetragen.After application of the heat conductor layer and appropriate treatment of the Kontaktierungsbereiche or reversal points, the pores of the porous dielectric layer and the porous resistance Heizleiterschicht are sealed by means of a single or multi-layer system and electrically isolated from the medium in operation during operation. For this purpose, as described above, a sealing layer and the topcoat are applied in a two-layer process or a single layer which has all the required properties in a one-layer process.

Im Folgenden sei beispielhaft ein Zwei-Schichtverfahren geschildert: Zuerst wird eine Abdeckschicht aufgetragen, für die sich grundsätzlich die im Folgenden geschilderten Materialien bzw. jeweiligen Auftragungsverfahren eignen. Hier können grundsätzlich anorganische Lacke und Lacke mit einer organischenanorganischen Polymermatrix mit eingelagerten Partikeln, wie Nanokompositlacke verwendet werden. Auch Silikone und Silikonöle sind geeignet um die genanten Poren in den porösen Schichten zu versiegeln.In the following, a two-layer process is described by way of example: First, a covering layer is applied, for which in principle the materials described below or the respective application methods are suitable. In principle, inorganic lacquers and lacquers with an organic-inorganic polymer matrix with embedded particles, such as nanocomposite lacquers, can be used here. Silicones and silicone oils are also suitable for sealing the pores in the porous layers.

Abschließend wird die Heizvorrichtung noch mit einem Topcoat, beispielsweise einer nanostrukturierten Anti-Soiling-Schicht versehen. Die besonders vorteilhafte Wirkung einer solchen Schicht liegt in der Reduktion der Kochgeräusche bzw. der Verhinderung von Ankalkungen, d. h. Kalkablagerungen. Des Weiteren sind diese Schichten besonders mechanisch beständig.Finally, the heater is still provided with a topcoat, such as a nanostructured anti-soiling layer. The particularly advantageous effect of such a layer lies in the reduction of cooking noise or the prevention of limescale, ie lime deposits. Furthermore, these layers are particularly mechanically resistant.

Wie an anderer Stelle schon ausführlich besprochen, besteht ein wichtiger Aspekt für die Praxistauglichkeit der Heizvorrichtung der Erfindung zum einen in der stirnseitigen Abdeckung und Versiegelung der Poren einer ggf. porösen Dielektrikumsschicht bzw. der Poren in einer Widerstands-Heizleiterschicht. Weiter kann es aus Korrosionsschutzgründen erforderlich sein, den Grundkörper hermetisch wenigstens gegenüber dem zu erhitzenden Medium oder bevorzugt vollständig abzudichten. Hierzu zeigen die Fig. 7a bis Fig. 7d schematische Detailansichten jeweils eines Schnitts durch den Rohrmantel 701 des rohrförmigen Grundkörpers und die Funktionsschichten, wobei insbesondere das offene Rohrende 702 der Dickschicht-Rohr-Heizung als auch die nächstliegende Strömungsöffnung 730 gezeigt sind.As already discussed in detail elsewhere, an important aspect for the practicality of the heating device of the invention on the one hand in the frontal covering and sealing of the pores of a possibly porous dielectric layer or the pores in a resistance heating conductor layer. Furthermore, for reasons of corrosion protection, it may be necessary to hermetically seal the main body at least in relation to the medium to be heated, or preferably completely. To show the Fig. 7a to Fig. 7d schematic detail views in each case of a section through the tube jacket 701 of the tubular base body and the functional layers, wherein in particular the open tube end 702 of the thick-film tube heater and the nearest flow opening 730 are shown.

Der jeweils in den Fig. 7a bzw. 7b dargestellte Schichtaufbau betrifft die Ausführung einer Heizvorrichtung der Erfindung, bei der für den Grundkörper ein korrosionsbeständiges Material verwendet wurde, wie beispielsweise ein legierter Stahl oder eine Keramik. Hier muss der Grundkörper nicht zwingend vollständig gegenüber dem Medium abgedichtet werden.The respectively in the Fig. 7a or 7b illustrated layer construction relates to the embodiment of a heating device of the invention, in which a corrosion-resistant material was used for the base body, such as an alloyed steel or a ceramic. Here, the basic body does not necessarily have to be completely sealed against the medium.

In der Fig. 7a ist das Material, z. B. Glas oder Emaille, für die Dielektrikumsschicht 710 zur Isolation des Heizleiters 720 gegenüber dem Rohrmantel 701 selbst dicht gegenüber dem zu erhitzenden Medium. Aus diesem Grund kann hier auf die Abdichtung der Stirnflächen 712 am Rohrende 702 bzw. an den Strömungsöffnungen 730 gegenüber dem Medium verzichtet werden. Schließlich ist der Heizleiter 720 gegenüber dem zu erhitzenden Medium mittels einer Abdeckschicht 750 elektrisch isoliert und abgedichtet.In the Fig. 7a is the material, eg. As glass or enamel, for the dielectric layer 710 for insulating the heating element 720 relative to the tube jacket 701 itself tightly against the medium to be heated. For this reason, the sealing of the end faces 712 at the pipe end 702 or at the flow openings 730 with respect to the medium can be dispensed with here. Finally, the heating element 720 is electrically insulated from the medium to be heated by means of a cover layer 750 and sealed.

Bei der Ausführung, die in Fig. 7b gezeigt ist, wurde zusätzlich eine Abdeckung der Stirnflächen 712 der Dielektrikumsschicht 710 vorgesehen, weil diese hier aus einem porösen, d. h. gegenüber dem zu erhitzenden Medium nicht dichten Schicht, wie sie gerade bei thermisch gespritzten Materialen entstehen, besteht. Um diese vollständige Abdeckung der entsprechenden Stirnflächen 712 der Dielektrikumsschicht 710 am offenen Rohrende 702, an den Strömungsöffnungen 730 sowie an den Dehnungsfugen 740 sicherzustellen, kann vor dem Auftragen der Abdeckschicht 750 mithilfe eines abtragenden Verfahrens sichergestellt werden, dass die Dielektrikumsschicht 710 bis auf den Rohrmantel 701 abgetragen ist. Dies ist beispielsweise durch Laserabtragen, Wasserstrahlschneiden, Ätzen, Fräsen oder Abrasivstrahlen (mit Schablonen oder im direkten Verfahren) möglich. Dies kann gleichzeitig mit der Fertigung der Dehnungsfugen 740 erfolgen.In the execution, in Fig. 7b is shown, a cover of the end faces 712 of the dielectric layer 710 was additionally provided, because this here from a porous, ie not dense to the medium to be heated layer, as they arise just in thermally sprayed materials exists. To ensure this complete coverage of the respective end faces 712 of the dielectric layer 710 at the open tube end 702, at the flow openings 730, as well as at the expansion joints 740, it may be ensured before applying the cover layer 750 by means of an abrasive process be removed that the dielectric layer 710 to the pipe jacket 701. This is possible, for example, by laser ablation, water jet cutting, etching, milling or abrasive blasting (with stencils or in direct method). This can be done simultaneously with the manufacture of expansion joints 740.

Der jeweils in den Fig. 7c bzw. 7d dargestellte Schichtaufbau betrifft die Ausführung einer Heizvorrichtung der Erfindung, bei der für den Grundkörper ein korrosionsanfälliges Material verwendet wurde, wie z. B. ein unlegierter Stahl. Daher ist bei diesen Ausführungen der Grundkörper gegenüber dem Medium vollständig durch die Abdeckschicht 750 abgedichtet worden.The respectively in the Fig. 7c or 7d shown layer structure relates to the execution of a heater of the invention, in which a corrosion-prone material was used for the body, such. As a carbon steel. Therefore, in these embodiments, the main body has been completely sealed off from the medium by the cover layer 750.

Bei einer weiteren Ausführungsform bestehen sowohl die Dielektrikumsschicht 710 als auch die zweite Abdeckschicht 750 aus einer Emaille- bzw. einer Glasschicht (nicht gezeigt). In den Fig. 7c und 7d ist weiter gut zu erkennen, dass die Abdeckschicht 750 den Grundkörper 701, die Dielektrikumsschicht 710 sowie die Widerstands-Heizleiterschicht 720 vollständig nach außen hin abdichtet und elektrisch isoliert.In another embodiment, both the dielectric layer 710 and the second cap layer 750 are comprised of an enamel or a glass layer (not shown). In the Fig. 7c and 7d It can also be clearly seen that the covering layer 750 completely seals the main body 701, the dielectric layer 710 and the resistance heating conductor layer 720 to the outside and electrically isolates them.

In der Fig. 7e ist eine weitere Ausführungsform für den Schichtaufbau der erfindungsgemäßen Dickschicht-Heizung gezeigt. Dabei ist zwischen der Oberfläche des Grundkörpers 701 und der Dielektrikumschicht 710 eine Haftschicht 705 vorgesehen, die für eine verbesserte Haftung der Funktionsschichten auf dem Grundkörper 701 sorgt. Auf der Haftschicht ist die Dielektrikumsschicht 710 angeordnet, auf der sich die Heizleiterbahnen der strukturierten Widerstands-Heizleiterschicht 720 befinden. Die Schichten 705, 710 und 720 wurden mit einem Verfahren aufgetragen, bei dem die erzeugten Schichten eine poröse Struktur aufweisen; was wie eingangs erläutert erwünscht ist. Insbesondere die offenen Poren dieser Schichten werden mittels einer Versiegelung 751 verschlossen, d.h. gegenüber dem zu erhitzenden flüssigen Medium abgedichtet. Diese Versiegelung 751 ist in der Fig. 7e durch die Punkte in den Schichten 705, 710 und 720 angedeutet. Schließlich ist der gesamte Schichtaufbau aus den Schichten 705, 710 und 720 einschließlich der Versiegelung abschließend mit einem sogenannten Topcoat bzw. einer Oberflächen Anti-Soiling-Schicht 752 veredelt, die insbesondere derartige Antihaft-Eigenschaften aufweist, dass sich im Betrieb der Heizvorrichtung im Heizbereich keine Stoffe wie Kalk oder Waschsubstanzen an der Heizvorrichtung anlagern können.In the Fig. 7e a further embodiment for the layer structure of the thick film heater according to the invention is shown. In this case, an adhesive layer 705 is provided between the surface of the main body 701 and the dielectric layer 710, which ensures improved adhesion of the functional layers on the main body 701. On the adhesive layer, the dielectric layer 710 is arranged, on which the heating conductors of the patterned resistance heating conductor layer 720 are located. The layers 705, 710 and 720 were applied by a method in which the generated layers have a porous structure; which is desirable as explained above. In particular, the open pores of these layers are closed by means of a seal 751, ie sealed against the liquid medium to be heated. This seal 751 is in the Fig. 7e indicated by the dots in the layers 705, 710 and 720. Finally, the entire layer structure of the layers 705, 710 and 720, including the seal, is finally finished with a so-called topcoat or surface anti-soiling layer 752 grafted, which in particular has such non-stick properties that no substances such as lime or washing substances can accumulate on the heater during operation of the heater in the heating area.

Schließlich ist in den Fig. 7a bis 7d auch der Querschnitt des Heizleiterumkehrpunktes 724 Schichtaufbau zu erkennen (in den Fig. 7a und 7d mit Bezugszeichen versehen). Dabei sind die beiden zu dem Heizleiterumkehrpunkt 724 hinführenden bzw. wegführenden Heizleiter 721, 722 zu erkennen, die beide mit Leiterbahnmaterial 727 (in etwa der gleichen Schichtdicke wie die Widerstands-Heizleiterschicht 720) miteinander verbunden und mit einer zusätzlichen Schicht Leiterbahnmaterial 728 beschichtet sind. Durch diese Maßnahme wird der elektrische Widerstand des Heizleiterumkehrpunkts 724 deutlich niedriger eingestellt als an den übrigen Stellen des Heizleiters 720. Damit kann an dieser Stelle im Betrieb kein Hotspot auftreten. Als zusätzliches Leiterbahnmaterial 728 kann beispielsweise bei der Herstellung eine Silber/Palladium-Paste verwendet werden.Finally, in the Fig. 7a to 7d also the cross section of Heizleiterumkehrpunktes 724 layer structure to recognize (in the Fig. 7a and 7d provided with reference numerals). In this case, the two heating conductors 721, 722 leading to the heating conductor inversion point 724 can be seen, which are both connected to one another by interconnect material 727 (approximately the same layer thickness as the resistance heating conductor layer 720) and coated with an additional layer of conductor material 728. By this measure, the electrical resistance of Heizleiterumkehrpunkts 724 is set much lower than at the remaining locations of the heating element 720. Thus, no hotspot can occur at this point in operation. As additional interconnect material 728, for example, a silver / palladium paste can be used in the production.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäßen Dickschicht-Heizung besteht in der Möglichkeit, die elektrische Wärmeleistung bei der Fertigung individuell, d. h. z. B. entsprechend der jeweilig geplanten Anwendung bzw. Einbaulage in der Anwendung, anpassen zu können. Dabei stehen bei der Dickschicht-Heizung der Erfindung zwei verschiede Ansätze zur Verfügung. Einmal ist es möglich, die Widerstands-Heizleiterschicht auf der Dielektrikumsschicht vollflächig ohne Strukturierung aufzubringen und anschließend durch ein abtragendes Verfahren die Widerstands-Heizleiterschicht entsprechend den Anforderungen zu strukturieren. Diese Strukturierung kann durch Abrasivtechniken beispielsweise durch Laserstrukturieren, Wasserstrahlschneiden, Abrasivstrahlen, Ätzen, Fräsen sowie Schleifen erfolgen.Another advantageous aspect of the thick-film heater according to the invention consists in the possibility of the electrical heat output during manufacture individually, d. H. z. B. according to the respective intended application or installation position in the application to be able to adapt. In this case, two different approaches are available in the thick-film heater of the invention. Once it is possible to apply the resistive heat conductor layer on the dielectric layer over the entire surface without structuring and then to structure by an erosive method, the resistance heating conductor layer according to the requirements. This structuring can be carried out by abrasive techniques, for example by laser structuring, water jet cutting, abrasive blasting, etching, milling and grinding.

Eine zweite Möglichkeit die elektrische Leistung der Heizleiterbahn einzustellen besteht darin, die Widerstands-Heizleiterschicht mit der gewünschten Struktur direkt aufzutragen. Dafür eignen sich Schablonentechniken, bei denen beispielsweise eine Maske durch Aufbringen eines Antihaftmaterials mittels Siebdruck auf die erste Abdeckschicht, wobei anschließend auf den nicht maskierten Bereichen das Heizleitermaterial aufgetragen wird. Es ist jedoch auch möglich durch ein direktes strukturierendes Beschichten ohne Schablone, beispielsweise mit einem feinen Beschichtungsstrahl oder automatisierten Handlingsystemen, die Widerstands-Heizleiterschicht aufzutragen. Dabei kann die Auftragbreite beispielsweise über die Variation des Abstandes der Strahldüse gegenüber der ersten Abdeckschicht gesteuert werden.A second possibility to adjust the electric power of the heating conductor is to apply the resistance heating conductor layer with the desired structure directly. Template techniques are suitable for this purpose, in which, for example, a mask is applied to the first cover layer by applying an anti-sticking material by means of screen printing, in which case subsequently on the unmasked areas the Heizleitermaterial is applied. However, it is also possible to apply the resistive heat conductor layer by a direct patterning coating without a template, for example with a fine coating jet or automated handling systems. In this case, the application width can be controlled, for example, via the variation of the distance of the jet nozzle from the first covering layer.

An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass neben der hier hauptsächlich geschilderten Ausführungsform mit einer einzigen bifilaren Heizleiterbahn auch Multitracking verwendet werden kann, wobei beispielsweise vier elektrisch parallel geschaltete einzelne Heizleiterbahnen anstelle einer einzelnen Leiterbahn über dem Grundköper geführt werden. Der Vorteil besteht dabei darin, dass festgestellt wurde, dass sich hierdurch im Betrieb der Heizvorrichtung weiter das Auftreten von Hotspots durch Anlagerungen von Fremdstoffen vermeiden lassen. Zusätzlich ist bei Ausfall einer einzelnen Heizleiterbahn der Betrieb der Dickschicht-Rohr-Heizung weiter - mit entsprechend geringerer Wärmeleistung - möglich. Weiter ist es auch möglich, mehrere einzeln im Anschlussbereich kontaktierbare Heizleiter auf dem Grundkörper vorzusehen.It should also be noted that in addition to the embodiment mainly described here with a single bifilar Heizleiterbahn and multitracking can be used, for example, four electrically parallel individual Heizleiterbahnen be performed instead of a single trace over the Grundköper. The advantage here is that it has been found that this can further avoid the occurrence of hotspots by deposits of foreign substances during operation of the heater. In addition, in case of failure of a single heating conductor, the operation of the thick-film pipe heater continues - with correspondingly lower heat output - possible. Furthermore, it is also possible to provide a plurality of heating conductors, which can be contacted individually in the connection area, on the base body.

Schließlich kann die elektrische Leistung der Heizvorrichtung auch bzw. zusätzlich über Widerstandstrimmen eingestellt werden. Dabei wird der elektrische Widerstand und damit die in der Heizleiterbahn umgesetzte Wärmeleistung über Einstellen der Heizleiterbahnbreite bzw. Heizleiterbahndichte vorgenommen. So kann das Widerstandstrimmen über die Bahnbreite des Heizleiters folgendermaßen durchgeführt werden: Zuerst wird die Heizleiterbahn mit einer ausreichenden Breite und Dicke auf dem vorbereiteten Grundkörper strukturiert, anschließend wird der elektrische Widerstand des Heizleiters gemessen, hieraus kann der aktuelle Quotient aus dem spezifischen Widerstand des Heizleiters und dem Querschnitt und damit die aktuell notwendige Leiterbahnbreite berechnet werden. Diese berechnete Breite wird abschließend durch entsprechendes Abtragen von Heizleiterbahnmaterial eingestellt. Als alternative Vorgehensweise ist das Widerstandstrimmen über die Heizleiterbahndicke möglich: Hierbei wird zuerst die Heizleiterbahn mit einer ausreichenden Dicke und Breite auf dem vorbereiteten Grundkörper strukturiert, anschließend wird der elektrische Widerstand des Heizleiters gemessen und durch so genanntes "Mikroschmieden" der Heizleiteroberfläche ohne abtragende (abrasive) Wirkung unter gleichzeitiger Messung des aktuellen Widerstands wird der gewünschte elektrische Widerstand eingestellt.Finally, the electric power of the heater can also be adjusted by resistance trimming. In this case, the electrical resistance and thus implemented in the Heizleiterbahn heat output is made by adjusting the Heizleiterbahnbreite or Heizleiterbahndichte. Thus, the resistance trimming over the web width of the heat conductor can be performed as follows: First, the Heizleiterbahn is structured with a sufficient width and thickness on the prepared body, then the electrical resistance of the heating element is measured, from this, the current quotient of the resistivity of the heating element and the cross section and thus the currently required conductor track width are calculated. This calculated width is finally adjusted by appropriate removal of Heizleiterbahnmaterial. As an alternative approach, the resistance trimming on the Heizleiterbahndicke is possible: Here, first, the Heizleiterbahn with a sufficient thickness and width on the structured basic body, then the electrical resistance of the heating element is measured and by so-called "micro forging" the Heizleiteroberfläche without abrasive (abrasive) effect with simultaneous measurement of the current resistance, the desired electrical resistance is set.

Hinsichtlich der Temperaturüberwachung bei der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung sei angemerkt, dass hier zwei Aspekte von Interesse sind. Zum einen soll im Betrieb die Heizleistung in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur des zu erhitzenden Mediums geregelt werden können. Aber andererseits soll auch eine Überwachung der Heizleitertemperatur erfolgen, um einen anormalen Betrieb erkennen zu können und ggf. die Zufuhr elektrischer Energie zu dem Heizleiter zu unterbrechen. Zur Temperaturregelung kann bei der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung besonders vorteilhaft ein Temperatursensor in SMD-Bauform an jeder gewünschten Stelle, d. h. im trockenen oder auch nassen Bereich, vorgesehen werden. An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass dies sowohl auf der Außenfläche als auch der Innenfläche des rohrförmigen Grundkörpers denkbar ist. Ebenso können Sicherungselemente zur Absicherung des Heizleiters gegen Überhitzung unmittelbar neben oder auf einer aktiven Heizleiterbahn vorgesehen werden. Auch hier eignen sich grundsätzlich Sensorbauteile in SMD-Ausführung. Es können aber auch Dickschichtsicherungen an der jeweils gewünschten Stelle auf der Oberfläche der Dickschicht-Rohr-Heizung im vorstehend geschilderten Herstellungsverlauf mittels Siebdruck bzw. Plasmaspritzen integriert werden.With regard to the temperature monitoring in the thick-film pipe heater according to the invention, it should be noted that here two aspects are of interest. On the one hand, the heating power should be able to be regulated in operation as a function of the desired temperature of the medium to be heated. But on the other hand, a monitoring of the Heizleitertemperatur should be done in order to detect abnormal operation and possibly interrupt the supply of electrical energy to the heating element. For temperature control, a temperature sensor in SMD design at any desired location, d. H. in the dry or wet area, be provided. At this point it should be pointed out again that this is conceivable both on the outer surface and the inner surface of the tubular body. Likewise, fuse elements can be provided to protect the heat conductor against overheating immediately next to or on an active Heizleiterbahn. Here, too, sensor components in SMD design are fundamentally suitable. But thick-film fuses can also be integrated at the respective desired location on the surface of the thick-film pipe heater in the above-described production process by means of screen printing or plasma spraying.

Für die Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse des Heizleiters bzw. der elektrischen Anschlüsse der an der Dickschicht-Rohr-Heizung integrierten Sensorelemente können die oben beschriebenen Anschlusssteckteile mit entsprechend geeigneter Kontaktierung auf den Anschlussbereich des Rohrs aufgeschoben werden. Dabei kann die Temperaturregelung bzw. Temperaturüberwachung und der Leitungsteil getrennt voneinander oder in einem Steckteil integriert ausgeführt werden. Zum Verbinden der Anschlüsse mit den Anschlussstellen auf der Dickschicht-Rohr-Heizung eignen sich Verfahren wie Weichlöten, Reibschweißen, Ultraschallschweißen oder Laserschweißen. Aber auch eine Kontaktierung über geeignete Federkontakte ist möglich.For contacting the electrical connections of the heating conductor or the electrical connections of the sensor elements integrated in the thick-film pipe heater, the connection plug parts described above can be pushed onto the connection region of the pipe with correspondingly suitable contacting. In this case, the temperature control or temperature monitoring and the line part can be performed separately or integrated in a male part. Suitable methods for connecting the connections to the connection points on the thick-film tube heating are soldering, friction welding, Ultrasonic welding or laser welding. But a contact via suitable spring contacts is possible.

Abschließend seien nochmals anhand einer perspektivischen Darstellung eines Heizmoduls 800 mit einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung in der Fig. 8 die wesentlichen Vorteile, die sich aus dem erfindungsgemäßen Aufbau ergeben, zusammengefasst. Dargestellt ist ein Heizmodul 800 mit dem rohrförmigen Grundkörper 801, der sich funktional in den Heizbereich 810 und den Anschlussbereich 820 aufteilt. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit mittels einer Dichtung 870 zwischen dem Heizbereich 810 und dem Anschlussbereich 820, eine einfache Montage des Heizmoduls 800 zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass anstelle der (Kegel-)Dichtung auch andere standardisierte Einbaumaßnahmen vorgesehen sein können. Am rechten Ende des Heizbereichs 810, in dem der Heizleiter 840 bifilar über den rohrförmigen Grundkörper 801 verläuft, befindet sich das offene Rohrende 802, in dem die Strömungsöffnungen 830 zu erkennen sind. Die rohrförmige Ausführung der Heizung mit dem offenen Rohrende 802 und den Strömungsöffnungen 830 stellt einen wesentlichen Vorteil dar, da durch diese Bauart gegenüber den herkömmlichen Rohrheizkörpern eine Reduzierung des verdrängten Volumens des zu erhitzenden Mediums von ca. 25 % erreicht wird. Zusätzlich wird hierdurch eine besonders effektive Wärmeübertragung auf das zu erhitzende Medium und somit eine schnellere Erhitzung als mit herkömmlichen Rohrheizkörpern erreicht. Weiter eignet sich der rohrförmige Aufbau der erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung hervorragend für die direkte Integration von Temperatursensorelementen 862, 864 aber auch anderen Sensoren (Drucksensoren, Verschmutzungssensoren etc.) in SMD-Ausführung sowohl innerhalb, d. h. im Heizbereich 810, als auch außerhalb des zu erhitzenden Mediums, d. h. im Anschlussbereich 820, sowie zur Überwachung und Absicherung des Heizleiters 840. Vorteilhaft ist auch, dass im Anschlussbereich am geschlossenen Rohrende 804 besonders einfach ein Anschlussgehäuse 850 mit RAST-Steckern 852, 854 vorgesehen werden kann, die einen einfachen und sicheren Anschluss des Heizleiters 840 und auch der Temperatursensorelemente 862, 864, die zur Temperaturüberwachung des zu erhitzenden Mediums und zur thermischen Absicherung bzw. Überwachung des Heizleiters 640 dienen, ermöglichen. Durch die deutliche Reduzierung der Bestandteile der Dickschicht-Rohr-Heizung gegenüber einem herkömmlichen Rohrheizelement - beispielsweise gezeigt in der Fig. 1 - wird eine erhebliche kürzere Fertigungszeit erreicht. Dies führt zu nicht unerheblichen Kosteneinsparungen aufseiten des Herstellers und stellt damit einen deutlichen Wettbewerbsvorteil dar. Letztlich besitzt die erfindungsgemäße Dickschicht-Rohr-Heizung aufgrund der vorgesehenen zweiten bzw. dritten Abdeckschicht einen besonders effektiven Schutz gegen Verkalken und Anbacken organischer Stoffe, wodurch sich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit einer erfindungsgemäßen Dickschicht-Rohr-Heizung deutlich gegenüber den bekannten Rohrheizkörpern erhöht.Finally, again with reference to a perspective view of a heating module 800 with a thick film tube heater according to the invention in the Fig. 8 the main advantages resulting from the structure of the invention summarized. Shown is a heating module 800 with the tubular base body 801, which is divided functionally into the heating area 810 and the connection area 820. This results in the possibility of a simple installation of the heating module 800 by means of a seal 870 between the heating area 810 and the connection area 820. It has been shown that other standardized installation measures can be provided instead of the (cone) seal. At the right end of the heating area 810, in which the heating conductor 840 extends bifilarly over the tubular base body 801, there is the open tube end 802, in which the flow openings 830 can be seen. The tubular design of the heating with the open tube end 802 and the flow openings 830 represents a significant advantage, since this type compared to the conventional tubular heaters, a reduction of the displaced volume of the medium to be heated of about 25% is achieved. In addition, a particularly effective heat transfer to the medium to be heated and thus a faster heating than conventional tubular heaters is achieved. Next, the tubular structure of the thick-film tube heater according to the invention is ideal for the direct integration of temperature sensor elements 862, 864 but also other sensors (pressure sensors, pollution sensors, etc.) in SMD design both within, ie in the heating area 810, as well as outside It is also advantageous that in the connection area at the closed pipe end 804 a connection housing 850 with RAST plugs 852, 854 can be provided in a particularly simple manner, which provides a simple and safe Connection of the heating conductor 840 and also the temperature sensor elements 862, 864, for temperature monitoring of the medium to be heated and for thermal protection or monitoring of the heating element Serve 640, allow. Due to the significant reduction in the components of the thick-film pipe heater compared to a conventional pipe heater - for example, shown in the Fig. 1 - A significant shorter production time is achieved. This leads to not inconsiderable cost savings on the part of the manufacturer and thus represents a significant competitive advantage. Ultimately, the thick-film pipe heater according to the invention has a particularly effective protection against calcification and caking of organic substances due to the provided second and third cover layer, resulting in the reliability and Longevity of a thick-film pipe heater according to the invention significantly increased compared to the known tubular heaters.

Mit der vorliegenden Erfindung wurden eine Heizvorrichtung zum Erhitzen eines flüssigen Mediums sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizvorrichtung vorgeschlagen. Die elektrische Heizvorrichtung weist einen Grundkörper, der in einem Heizbereich mit einer Vielzahl von Strömungsöffnungen versehen sein kann und in einer Weiterbildung ein wenigstens im Bereich eines ersten Endes verschlossenes Rohr ist. Wenigstens auf einer Fläche des Grundkörpers sind die Funktionsschichten der Heizvorrichtung angeordnet, wobei wenigstens eine Heizleiterbahn in Form einer strukturierten thermisch gespritzten Widerstands-Heizleiterschicht zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärme mit wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen, die in einem Anschlussbereich ausgeführt und kontaktierbar sind, vorgesehen ist und sich zwischen der Heizleiterschicht und dem Grundkörper eine thermisch gespritzte Dielektrikumsschicht befindet. Dabei sind wenigstens im Heizbereich Poren der Widerstands-Heizleiterschicht und der Dielektrikumsschicht gegenüber dem Medium versiegelt und die Widerstands-Heizleiterschicht gegenüber dem Medium elektrisch isoliert, insbesondere weist die mit dem zu erhitzenden flüssigen Medium im Betrieb in Kontakt stehende Oberfläche Antihaft-Eigenschaften auf.With the present invention, a heating device for heating a liquid medium and a method for producing such a heating device have been proposed. The electric heating device has a main body, which may be provided in a heating area with a plurality of flow openings and in a development is a closed at least in the region of a first end tube. At least on one surface of the base body, the functional layers of the heating device are arranged, wherein at least one heating conductor is provided in the form of a structured thermally sprayed resistance Heizleiterschicht for converting electrical energy into heat with at least two electrical terminals that are designed and contacted in a terminal area, and there is a thermally sprayed dielectric layer between the heat conductor layer and the base body. In this case, at least in the heating region, pores of the resistance heating conductor layer and the dielectric layer are sealed against the medium and the resistance heating conductor layer is electrically insulated from the medium, in particular the surface in contact with the liquid medium to be heated during operation has non-stick properties.

Claims (15)

  1. An electrical heating apparatus for the heating of a liquid medium, comprising:
    - a base body (201; 301; 601; 701;) having at least one heat conductive path (610) for transforming electric energy into heat, arranged in form of a structured resistor heat conductive layer (720) on a surface of the base body in a heating area (810) with at least two electrical terminals (252, 254; 522, 524) which are formed in a terminal area (820) and are contactable,
    - a dielectric layer (710) arranged between the base body (201; 301; 601; 701;) and the heat conductive layer (720), and
    - at least one covering layer (750) which insulates electrically the heat conductive path (610) and the dielectric layer (710) against the medium,
    characterized in that the heating apparatus is coated at least in the heating area (810) such that open pores in the heat conductive layer (720) and the dielectric layer (710) are sealed against the medium, and the surface of the heating apparatus shows anti-sticking characteristics against the medium at least in the heating area (810).
  2. The heating apparatus as claimed in claim 1,
    wherein expansion joints are provided in the dielectric layer (710) beside and/or between adjacent heat conductive paths (610) formed in the resistor heat conductive layer (720).
  3. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the base body (201; 301; 601; 701;) selectively consists of stainless steel, non-ferrous metal, ceramics, glass or a composite thereof.
  4. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the dielectric layer (710) is thermally injection moulded and consists of aluminium oxide (AlO3), zirconium oxide (ZrO2), titanium oxide (TiO2), silicon oxide (SiO2), chromium oxide (Cr2O3), borosilicate or a mixture thereof.
  5. The heating apparatus as claimed in any one of the claims 1 to 3,
    wherein the dielectric layer (710) is a sol-gel-layer based on aluminium oxide (AlO3), zirconium oxide (ZrO2), titanium oxide (TiO2) or silicon oxide (SiO2).
  6. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the covering layer (750) is a nanocomposite-varnish, a siloxane or a silicone-oil.
  7. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the anti-adhesive-layer is a glass or ceramics layer, or a sol-gel-layer, or is a layer formed by silicone, a modified silicone, a polyimide, a polyamide-imide, a modified polyester-imide.
  8. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the heat conductive layer (720) is thermally injection moulded and consists of a metal, a metal alloy or a ceramics-metal-composite.
  9. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein a thermally injection moulded sticking layer consisting of metal or a metal alloy, is additionally provided between the dielectric layer (710) and the base body (201; 301; 601; 701).
  10. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the base body (201; 301; 601; 701) is further a tube being closed in the region of a first tube end.
  11. The heating apparatus as claimed in any one of the above claims,
    wherein the base body (201; 301; 601; 701) has a plurality of flow openings (230; 620; 730; 830) in the heating area (810).
  12. A method for manufacturing a heating apparatus as claimed in claims 1 to 11, comprising the steps of:
    - producing a base body (201; 301; 601; 701);
    - applying a first electrically insulating dielectric layer (710) onto the base body (201; 301; 601; 701) by a thermally injection moulding process;
    - applying at least one structured heat conductive layer (720) onto the dielectric layer (710) by a thermally injection moulding process, wherein the method is characterized by the step:
    - applying an electrically insulating covering layer (750), which is medium-tight and shows anti-sticking characteristics, onto the heating apparatus at least in the heating area, wherein pores in the dielectric layer (710) and the heat conductive layer (720) are sealed medium-tight.
  13. The method for manufacturing a heating apparatus as claimed in claim 12, further with applying a sticking layer onto the base body (201; 301; 601; 701).
  14. The method for manufacturing a heating apparatus as claimed in claims 12 or 13,
    wherein the step of applying an electrically insulating covering layer (750) which is medium-tight and shows anti-sticking characteristics, consists of the following intermediate steps:
    - applying a first sealing layer sealing the pores in the dielectric layer (710) and the heat conductive layer (720) medium-tight at least in the heating area; and
    - applying a second nano-structured anti-soiling-layer over the covering layer (750) at least in the heating area.
  15. The method for manufacturing a heating apparatus as claimed in any one of the claims 12 to 14,
    further with producing of expansion joints in the dielectric layer (710) beside and/or between the heat conductive path (610) in the structured heat conductive layer (720).
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