EP3385637A1 - Elektrisches warmwasseraufbereitungssystem - Google Patents

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EP3385637A1
EP3385637A1 EP18165855.0A EP18165855A EP3385637A1 EP 3385637 A1 EP3385637 A1 EP 3385637A1 EP 18165855 A EP18165855 A EP 18165855A EP 3385637 A1 EP3385637 A1 EP 3385637A1
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EP
European Patent Office
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layer
heat transfer
transfer element
substrate
hot water
Prior art date
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Granted
Application number
EP18165855.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3385637B1 (de
Inventor
Alexander Janzen
Olaf Diederich
Michael Grobe
Ralf Stock
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.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Publication of EP3385637A1 publication Critical patent/EP3385637A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3385637B1 publication Critical patent/EP3385637B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/102—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings

Definitions

  • the present invention relates to an electric hot water treatment system.
  • a tubular heater of a tubular heater heating system consists of a coiled Schuleiterdraht, this being electrically isolated by an inorganic insulating material from the outer metallic jacket tube.
  • the system has a high thermal mass and a relatively poor thermal conductivity. Because of this, it is sluggish and leads to significant losses in the performance characteristics.
  • the pipe heating system is strongly calcification prone.
  • the advantage of the pipe heating system is the worldwide use in all water qualities. In addition, no discharge lines are needed and thus the flow pressure losses are low.
  • the bare-wire heating system has clear advantages. Due to the low mass of the heating wire, which is located directly in the flowing medium, there is an excellent transient temperature behavior. As a result, such a system can be controlled fully electronically without any problem. Furthermore, the high surface load on the bare wire results in a significantly longer service life. This is based on the fact that in lime-containing water the lime is blasted off the bare wire due to the high surface loads.
  • a disadvantage of the bare-wire heating system is the limitation to water qualities with low electrical conductivity. Another disadvantage is that the metallic heating element is located directly in the flowing water and due to its certain discharge lines must be provided before and after the bare wire.
  • US 6,376,816 shows a heating system for a hot water treatment system.
  • the heating system is tubular and has a substrate and an electrically conductive thin film on the substrate as a heating element.
  • US 6,037,574 shows a heating system for an electric hot water treatment system, which is designed as a tube with a substrate and a heating element in the form of an electrical thin film.
  • the hot water treatment system comprises a layer heat transfer element comprising a substrate and a heating unit made of an electrical coating material.
  • the electrical coating material is arranged on the substrate.
  • the layer heat transfer element is configured as a double-walled heat transfer element and has an inwardly leading flow channel, an outward flow channel, a thermally sprayed electrically conductive layer, a thermally sprayed electrically insulating layer, a substrate and an insulation unit.
  • an alternative heating for the electrical flow heating is provided.
  • a thin electrical layer is provided on a substrate, which has a relatively high ohmic resistance, so that the medium to be heated is heated by the Joule effect.
  • the heating system according to the invention is inexpensive to manufacture and efficient and reliable in operation.
  • the functional thin layers of the heating system are thermally stable, electrically conductive and electrically insulating against the medium to be heated.
  • the layer according to the invention is a thermally conductive and electrically insulating layer which protects the electrically conductive layer against corrosion, deposits (fouling) and the removal by particles in the medium to be heated.
  • the thermally conductive and electrically insulating layer has a high thermal stability and a high dielectric strength.
  • the layer has a high insulation resistance, so that no leakage currents occur in the flowing medium.
  • a heating for example, a water heater, the flow pressure losses and the volume of construction could be reduced.
  • an efficient substrate geometry of the layer is provided.
  • a suitable coating technology as well as an efficient arrangement of the multifunctional layers on the layer is also provided.
  • a suitable contacting of the electrically conductive layers of the layer is provided.
  • an implementation of the layer in a heating system for the electric water heating is proposed.
  • the electric hot water treatment system described above in a domestic appliance such as a water heater, a hot water tank, a boiling water device, a hot water machine, a hand dryer, a heat pump, a ventilation unit, an air conditioner, a dehumidifier, a heat storage, a natural stone heating, underfloor heating , a direct heating or a radiator
  • a domestic appliance such as a water heater, a hot water tank, a boiling water device, a hot water machine, a hand dryer, a heat pump, a ventilation unit, an air conditioner, a dehumidifier, a heat storage, a natural stone heating, underfloor heating , a direct heating or a radiator
  • the electric water heating system can also be used in household appliances, such as coffee machines, Tumble dryers, laundry machines, dishwashers, cleaning machines, disinfection machines or the like can be used.
  • the invention also relates to a method for producing an electric hot water treatment system.
  • an electrical coating material can be applied to a substrate.
  • the layer heat transfer element may be configured as a double-walled heat transfer element.
  • An electrically conductive layer may be thermally deposited on the substrate.
  • An electrically insulating layer may be thermally sprayed on the electrically conductive layer.
  • the double-walled heating element can be manufactured by an injection molding process.
  • electrical power components may be thermally sprayed.
  • an alumina layer may be provided on a substrate, a titanium suboxide layer may be provided on the first alumina layer, and another alumina layer may be deposited on the titanium suboxide layer.
  • Fig. 1A to 1D each show a schematic representation of an electrical layer heat transfer element. As in the Fig. 1A to 1D to see four different configurations of the heat transfer element are shown.
  • Fig. 1A is an annular or cylindrical heat transfer element
  • Fig. 1B is a flat-shaped heat transfer element
  • Fig. 1C is a spiral heat transfer element
  • Fig. 1D a helical heat transfer element is shown.
  • the heat transfer element has a substrate 100 and a coating region 200.
  • Circular substrates can be coated externally and internally after pretreatment of the surfaces. The coatings on the annular substrates can be applied over the entire surface via appropriate masking or special etching.
  • the substrate 100 according to Fig. 1A is annular and the coating area 200, ie the area in or on which the layer according to the invention is provided, is applied inside or outside.
  • the heat transfer element according to Fig. 1B is flat-shaped and a coating area 200 is provided on the flat-shaped substrate 100.
  • the heat transfer element according to Fig. 1C is at least partially configured in a spiral shape.
  • the substrate 100 has a first, for example, flat end 110, a second, for example, flat end 120, and a coating region 200 therebetween, wherein the coating region is configured at least partially in a spiral shape.
  • a substrate 100 having a flat first end, a flat second end, and a coating region 200 therebetween is provided which is helically shaped.
  • the flat, spiral as well as the helical substrates can in principle also be made of all materials.
  • thermoplastic materials polyamides and polyoxymethylenes as well as the ceramic materials aluminum oxides and nitrites can be used.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an electrical layer heat transfer element.
  • the heat transfer element can be configured as two half shells, wherein these half shells can be at least partially coated on their inner side to provide the heat transfer layers.
  • the heat transfer element 300 has an inlet 310, an outlet 320, at least one channel 330 between the inlet and outlet 310, 320 and coating regions 200, which extend along the channel 330.
  • Fig. 3 and 4 show a schematic representation of a layer structure of a sheet-like electrical layer heat transfer element.
  • the preparation of the flat-shaped layer heat transfer elements begins with the complete cleaning in the surfactant wet bath. Thereafter, a nickel-chromium alloy layer is realized over the whole surface - with a distance of 1 mm being kept to the edge. Furthermore, the front and the back of the flat-shaped Aiuminiumoxidsubstrates 101 are provided with a mask, so that the distance to the boundary of 1 mm is maintained. As a result, two electrically separate areas are generated. By separating the electrical heating conductor, the heating element can later the two areas use either in series or in parallel.
  • the electrically insulating aluminum oxide layer is applied over its entire surface on both sides. It is masked only a small recess at the two ends of the heating element, at the point where the electrical contact is later attached.
  • a heat conductor layer 102 nickel-chromium, indium-tin oxide, titanium nitrate
  • a first contact layer 100a made of copper can be applied.
  • a second contact layer 100b for example also made of copper, may be provided.
  • an insulating layer 103 for example aluminum oxide
  • contact layer bolts 100c for example of copper, may be provided at the ends.
  • a sealing bolt 100d with a groove for an O-ring may be provided.
  • an electrical contacting bolt 100e may be provided.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a layer structure of an annular or cylindrical electric layer heat transfer element.
  • the annular electric layer heat transfer element has a substrate 101, an insulation layer 102, a heat conductor layer 103, a heat conductor contact layer 103a, and an insulation layer 104.
  • the substrate 101 may be made of alumina, borosilicate glass or copper.
  • the insulating layer 102 may be made of silicon oxide, for example.
  • the heating conductor layer 103 may be made of nickel-chromium, indium-zinc oxide or, for example, titanium nitrate.
  • the heating conductor contact layer 103a may be made of copper, for example.
  • the second insulating layer 104 may be made of, for example, aluminum oxide.
  • these layers can be used by thermal spraying, sputtering from physical vapor deposition.
  • thermal spraying, sputtering from physical vapor deposition By means of these methods, full-area and partially electrically conductive and electrically insulating functional layers are deposited on the annular and flat substrate geometries.
  • aluminum oxide and also copper pipes and stainless steel pipes are coated by means of thermal spraying and sputtering.
  • the Fig. 5 shows the layer structure of the annular heat transfer elements.
  • the annular heat transfer elements lead inside the tube to be heated medium.
  • the electrically insulating and electrically conductive layers 102, 103 the electrical power is generated outside of the medium to be heated (water).
  • the big advantage of this is that the flow pressure losses are reduced.
  • the flat-layered heat transfer elements ( Fig. 2 ) lie directly in passing medium. Here is the great advantage that the electrical power can be fed directly to the medium.
  • Thermal spraying in the form of atmospheric plasma spraying (APS), initially produces a defined sub-titanium suboxide layer on the outside of the aluminum oxide tube 101.
  • This titanium suboxide layer with a resistivity of 0.04 ohm cm can serve as a heating conductor and generates a power, depending on the layer thickness and length of the heating element, from 500 W to 5000 W.
  • the alumina tube can be provided by means of a corresponding masking.
  • the masking can be constructed so that recesses are provided for contacting at corresponding locations.
  • copper 103a can be injected at the contact points. The copper serves to improve the surface roughness and to minimize local hotspots.
  • the contact and contact resistances are reduced later with appropriate electrical contact with, for example, a clamp.
  • electrically conductive paints could be used.
  • the manufacturing process is completed with the application of a final electrical insulation layer, which is also a thermal insulation layer at the same time.
  • a final electrical insulation layer is also a thermal insulation layer at the same time.
  • an aluminum oxide layer is used by the APS method.
  • an electrically insulating aluminum oxide layer is applied during the thermal spraying before the titanium suboxide layer.
  • the aim is to realize an electrical separation between copper and the titanium suboxide with the electrically insulating layer.
  • an electrical insulation between the medium to be heated and the heating element is generated. All other process steps are similar to the construction and manufacture of the alumina tube described above.
  • sputtering In addition to the coating of the annular substrates, sputtering also offers the possibility of providing flat, spiral and helical substrates by means of a defined layer. In the annular substrates, all substrates are cleaned and subjected to plasma pretreatment before coating. Thereafter, the copper and alumina tube provided with multifunctional layers.
  • the nickel-chromium alloy has a resistivity of approximately 0.000112 ohmcm. This allows power to be realized in the range of 500 W to 2500 W.
  • an aluminum oxide layer with the reactive sputtering is previously formed, ie in this case, a reactive gas (oxygen, nitrogen) is additionally integrated into the process and used up.
  • a reactive gas oxygen, nitrogen
  • a mask is applied to deposit a copper layer at the outer sites for later contacting.
  • an aluminum oxide layer is applied as a protective layer for electrical and thermal insulation.
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view of a hydraulic seal and an electrical contact of a flat-shaped heat transfer element.
  • a solderable copper layer for sealing the hydraulic sealing bolt, the hydraulic sealing bolt 3 being provided at the end.
  • outer circumferential electrically insulating layers of alumina are present.
  • an electrical contact pin 2 is provided, for example made of brass. Recesses for soldering between the copper contacting layer and the electrical contact pin 2 may be provided on the substrate of the heat transfer element.
  • a flat-shaped layer heat transfer element 8a is shown.
  • the flat-shaped layer heat transfer element 8a has a solderable copper layer 8c for sealing the hydraulic sealing bolt 3.
  • an outer circumferential electrically insulating layer 8d of, for example, aluminum oxide is present. Recesses 8e may be provided in the substrate for soldering between the copper contacting layer and the studs.
  • Fig. 7 shows a schematic sectional view of a double-walled layer heat transfer element according to an embodiment of the invention.
  • the double-walled layer transmission element 1060 comprises a copper substrate 1020, a thin outer tube 1030, an inward flow channel 1040, an outer flow channel 1050, an insulation block 1060, an electrically insulating polymer or ceramic stud 1070, a thermally sprayed electrically insulating layer electrically insulating compaction mass) 1080, a thermally sprayed electrically conductive TiO x layer 1090 and optionally a circumferentially fixed lead frame 1091, which is then thermally sprayed or thermally compressed on.
  • the electrical contact is in the annular heat transfer elements over clamps or over formed punched grid components ( Fig. 7 ) or via one or more bolts ( Fig. 6 ) realized in the flat-shaped layer heat transfer elements.
  • a double-walled layer heat transfer element is presented.
  • the stamped grid components can be applied to an electrically insulating layer. Then positioned accordingly and sprayed with a further electrical insulation layer by thermal spraying or compressed with magnesium oxide powder.
  • the consideration of such a double-walled heating element could also provide the opportunity to squirt the electronic power components such as triacs and thus minimize the hitherto effort in electrical connection technology.
  • a double-walled heat transfer element has a substrate 1020 (made of copper, for example) with an inner flow channel 1040 and an outer flow channel 1050.
  • the outer flow channel 1050 may optionally be bounded by an isolation block 1060.
  • the heat transfer element further comprises a thermally sprayed electrically conductive layer 1090 and a thermally sprayed electrically insulating layer 1080. Between the electrically conductive layer 1090 and the water in the inner or outer flow channel 1040, 1050, an electrically insulating layer is optionally present, so that the electrically conductive layer is not in direct contact with the water. This can be dispensed with discharge lines.
  • Fig. 8 to Fig. 10 each show a schematic representation of a heating unit for a double-walled layer heat transfer element according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a heating unit for a double-walled layer heat transfer element according to an embodiment of the invention.
  • the heating unit 2000 has a circuit board 2100 for contacting the heating elements, an upper flange 2200, an upper intermediate flange 2300, a heater 1000, an insulating body 2400, a lower intermediate flange 2500 and a lower flange 2600.
  • a heating is shown, which allows implementation of the layer heat transfer elements in the field of electric hot water treatment.
  • the designed double-walled layer heat transfer elements have a basic layer structure, like this one in Fig. 5 has been described for thermally sprayed heating elements.
  • the double-walled heat transfer element is characterized by receiving the molded stamped grid components for electrical contacting.
  • the stamped grid components are thermally sprayed in an additional step with an electrically insulating layer or compacted with an electrically insulating powder.
  • the double-walled layer heat transfer element yet another process step. After the insulation layer has been applied, a thin copper or stainless steel tube is drawn over the prepared heating element in the heated state. By subsequent cooling, this tube forges around the heating element.
  • the essential advantage of the double-walled layer heat transfer elements is based on the two-way flow around the fluid along the heat-transferring surface.
  • the bilateral flow around, as in Fig. 7 is shown, reduces the surface temperatures and thus promotes the calcification resistance with simultaneous effective heat transfer.
  • the layer heat transfer system 1000 has a substrate 1020, an insulation layer 1070, a heating conductor layer 1090, a second insulation layer 104, optionally a stamped grid 1091, an insulation layer 1080, an electrically insulating stud 1070, an insulating body 1060.
  • an upper flange 2200 and an upper intermediate flange 2300 may be provided.
  • Fig. 10 shows a schematic representation of a hydraulic seal of the layer heat transfer element in a heating block. Furthermore, the heating is characterized by a two-stage hydraulic seal, as in Fig. 14 is shown. On the one hand, sealing with O-rings 2310 between insulating body 2400 and upper intermediate flange 2300 is realized and, secondly, a profile seal 2210 is inserted at the interface between upper intermediate flange 2300 and upper flange 2200. Thus, the conditions are met to implement the bilateral flow around the double-walled layer heat transfer elements.
  • the advantages of the invention are, compared to the bare-wire heating system lower pressure losses.
  • the electrical layer heat transfer elements can be compared with the Bare wire heating system without restriction of water quality can be used everywhere. Compared to the bare-wire heating system, the electrical layer heat transfer elements can manage without upstream and downstream sections and thus require a smaller volume. Compared to the tubular heater faster heating and cooling times can be realized. Compared to the tubular heater is a greater resistance to deposits (CaCO 3 , CaSO 4 , Mg (OH) 2 ) and air bubbles present.
  • the layer heat transfer elements of the invention can in all water heaters, such as: water heater, hot water storage, Boilers, hot water machines, hand dryers, heat pumps, ventilation equipment, air conditioners, dehumidifiers, heat storage, natural stone heaters, underfloor heating / underfloor heating, direct heaters, bathroom radiators, coffee machines, dryers, Washing machines, dishwashers / dishwashers, automatic cleaning machines / devices, disinfection machines / devices.
  • Fig. 11A and 11B each show a schematic representation of a layer heat transfer element according to the invention.
  • the heat transfer element 1000 has a tube 1020 on which a thermally sprayed electrically insulating layer 1080 and a thermally sprayed electrically conductive layer 1090 is applied.
  • the electrically conductive layer 1090 then forms the core of the electrical heating element.
  • the heating element may further include an outer tube 1030 and placed in another tube so that water may flow through both an inner flow channel 1040 and an outer flow channel 1050 and be heated by the heating element as it flows through the tube.
  • Fig. 11B the heating element is shown without outer tube.
  • the heating element furthermore has an electrical connection bolt 1092 and an electrically insulating sleeve 1093.
  • Fig. 12A and 12B each show a schematic sectional view of a layer heat transfer element according to one aspect of the present invention.
  • the layered heat transfer element comprises a tube or cylindrical substrate 1020, thermally sprayed electrically insulating layers 1080 and thermally sprayed electrically conductive layers 1090.
  • the electrically conductive layer 1090 may be contacted via the electrically conductive bolts 1092.
  • the sleeves 1093 are configured electrically insulating.
  • Fig. 12B shows an enlarged section of the heat transfer element of Fig. 12A .
  • Fig. 13A shows a schematic representation of a water heater
  • Fig. 13B shows a schematic sectional view of the water heater.
  • the instantaneous water heater comprises a layered heat transfer element according to the invention, wherein the layered heat transfer element is incorporated directly during injection molding.
  • the heating element 1000 is thus encapsulated with plastic.
  • the heating element is then integrated directly into the injection molding.
  • Fig. 14 shows a schematic sectional view of a heat transfer element according to another embodiment.
  • the heat transfer element comprises a tubular substrate 1040 having thermally sprayed electrically insulating layers 1080 and thermally sprayed electrically conductive layers 1090.
  • the electrically conductive layer 1090 may be contacted via the electrically conductive stud 1092.
  • a Biank wire heating system 1094 may be integrated to support the heating performance of the layered element.
  • a double-walled heat transfer element is provided with a heating conductor of a bare Schuleiterdraht.
  • An inner tube of the double-walled heat transfer element may be configured as a copper tube or as an SS tube.
  • a thermally sprayed insulating layer may be provided on the inner tube.
  • a heating wire eg NiCr 8020
  • an electrically insulating layer can be thermally sprayed.
  • post-treatment of the layer may take place, whereby tips of the upper insulating layer, which have arisen due to the roughness of the treatment, can be ground off. Subsequently, an outer tube can be pulled over.

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Abstract

Es wird ein elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem vorgesehen. Das Warmwasseraufbereitungssystem weist ein Schicht-Wärmeübertragungselement auf, welches ein Substrat und eine Heizeinheit aus einem elektrischen Beschichtungsmaterial aufweist. Das elektrische Beschichtungsmaterial ist auf dem Substrat angeordnet. Das Schicht-Wärmeübertragungselement ist als ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement ausgestaltet und weist einen innenführenden Strömungskanal, einen außenführenden Strömungskanal, eine thermisch gespritzte elektrisch leitende Schicht, eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht, ein Substrat und eine Isolationseinheit auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem.
  • Kommerzielle Heizsysteme für die elektrische Warmwasseraufbereitung, wie z.B. in Warmwasserspeichern oder auch in Durchlauferhitzern, basieren auf Rohrheizkörper-Heizsystemen oder Blankdraht-Heizsystemen. Beide Systeme erzeugen joulesehe Wärme durch elektrische Energie, die durch einen ohmschen Widerstand fließt Diese Energie wird durch Wärmeübertragung an das zu erhitzende Medium übergeben.
  • Ein Rohrheizkörper eines Rohrheizkörper-Heizsystem besteht aus einem gewendelten Heizleiterdraht, wobei dieser durch eine anorganische Isolationsmasse von dem äußeren metallischen Mantelrohr elektrisch isoliert ist. Dadurch hat das System eine hohe thermische Masse und eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dessen ist es träge und führt zu erheblichen Einbußen in den Gebrauchseigenschaften. Weiterhin ist das Rohrheizsystem stark verkalkungsanfällig. Der Vorteil des Rohrheizsystems hingegen stellt die weltweite Verwendung in allen Wasserqualitäten dar. Außerdem werden keine Ableitstrecken benötigt und somit sind die Fließdruckverluste gering.
  • Das Blankdraht-Heizsystem hat hierbei deutliche Vorteile. Durch die geringe Masse des Heizdrahtes, welches direkt im vorbeifließenden Medium liegt, ergibt sich ein hervorragendes instationäres Temperaturverhalten. Dadurch kann ein solches System problemlos vollelektronisch geregelt werden. Weiterhin ergibt sich durch die hohe Oberflächenbelastung am Blankdraht eine deutlich höhere Lebensdauer. Diese beruht darauf, dass im kalkhaltigen Wasser der Kalk durch die hohen Oberflächenbelastungen vom Blankdraht abgesprengt wird. Ein Nachteil des Blankdraht-Heizsystems ist die Beschränkung auf Wasserqualitäten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass der metallische Heizleiter direkt im fließenden Wasser liegt und aufgrund dessen gewisser Ableitstrecken vor und nach dem Blankdraht vorgesehen werden müssen.
  • Diese dünnen und langen Ableitstrecken führen zu relativ hohen Fließdruckverlusten und können in Gebäuden mit einem geringen Wassernetzdruck zu Problemen führen.
  • US 6,376,816 zeigt ein Heizsystem für ein Warmwasseraufbereitungssystem. Das Heizsystem ist rohrförmig ausgestaltet und weist ein Substrat sowie eine elektrisch leitfähige Dünnschicht auf dem Substrat als Heizelement auf.
  • US 6,037,574 zeigt ein Heizsystem für ein elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem, welches als Rohr mit einem Substrat und einem Heizelement in Form einer elektrischen Dünnschicht ausgestaltet ist.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung hinsichtlich dieser Nachteile ein alternatives elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem und ein Heizsystem zu entwickeln, welche die Vorteile der konventionellen und bewährten Heizsysteme beibehalten und somit zuverlässig, effizient und wirtschaftlich für den Endverbraucher sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem nach Anspruch 1 gelöst.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem gelöst. Das Warmwasseraufbereitungssystem weist ein Schicht-Wärmeübertragungselement auf, welches ein Substrat und eine Heizeinheit aus einem elektrischen Beschichtungsmaterial aufweist. Das elektrische Beschichtungsmaterial ist auf dem Substrat angeordnet. Das Schicht-Wärmeübertragungselement ist als ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement ausgestaltet und weist einen innenführenden Strömungskanal, einen außenführenden Strömungskanal, eine thermisch gespritzte elektrisch leitende Schicht, eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht, ein Substrat und eine Isolationseinheit auf.
  • Gemäß der Erfindung wird eine alternative Beheizung für die elektrische Durchflusserwärmung vorgesehen. Dazu werden die Erkenntnisse auf dem Gebiet der Beschichtungstechnologie, definierte funktionale Schichten auf einem polymerischen, keramischen oder auch auf einem metallischen Trägermaterial abzuscheiden, angewendet. Gemäß der Erfindung wird eine dünne elektrische Schicht auf einem Substrat vorgesehen, welche einen relativ hohen ohmschen Widerstand aufweist, so dass das zu erwärmende Medium durch den jouleschen Effekt erwärmt wird.
  • Das erfindungsgemäße Heizsystem ist in der Herstellung kostengünstig und im Betrieb effizient und zuverlässig. Die funktionalen dünnen Schichten des Heizsystems sind thermisch stabil, elektrisch leitfähig und gegenüber dem zu erwärmenden Medium elektrisch isolierend. Die erfindungsgemäße Schicht ist eine wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schicht, welche die elektrisch leitfähige Schicht vor Korrosion, Ablagerungen (Fouling) und der Abtragung durch Partikel im zu erwärmenden Medium schützt. Die wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schicht weist eine hohe thermische Stabilität und eine hohe Durchschlagsfestigkeit auf.
  • Die Schicht weist eine hohe Isolationsfestigkeit auf, so dass keine Ableitströme im strömenden Medium auftreten. Durch geringe bzw. keine Ableitströme im zu erwärmenden Medium könnten in einer Beheizung, beispielweise eines Durchlauferhitzers, die Fließdruckverluste und das Bauvolumen reduziert werden.
  • Da es sich um dünne funktionale Schichten handelt, die durch definierte Leistungsansteuerung die gewünschten Temperaturen in dem durchströmenden Medium erzeugen, entstehen an den Schichten sehr hohe Temperaturen. Damit die hohen lokalen Schichttemperaturen die polymerischen oder auch keramischen Trägermaterialien nicht beschädigen, muss die elektrische Leistung gezielt an das durchströmende Medium abgegeben werden. Die konstruktive Gestaltung ist hierbei so realisiert, dass es zu einer großen Wärmeübertragungsfläche zwischen den dünnen Schichten und dem vorbeiströmenden Medium kommt.
  • Gemäß der Erfindung wird eine effiziente Substratgeometrie der Schicht vorgesehen. Eine geeignete Beschichtungstechnologie, sowie eine effiziente Anordnung der multifunktionalen Schichten auf der Schicht wird ebenfalls vorgesehen. Ferner wird eine geeignete Kontaktierung der elektrisch leitenden Schichten der Schicht vorgesehen. Und eine Umsetzung der Schicht in ein Heizsystem für die elektrische Warmwasseraufbereitung wird vorgeschlagen.
  • Gemäß der Erfindung kann das oben beschriebene elektrische Warmwasseraufbereitungssystem in einem Haustechnikgerät wie bspw. einem Durchlauferhitzer, einem Warmwasserspeicher, einem Kochendwassergerät, einem Heißwasserautomaten, einem Händetrockner, einer Wärmepumpe, einem Lüftungsgerät, einem Klimagerät, einem Luftentfeuchter, einem Wärmespeicher, einer Natursteinheizung, einer Fußbodenheizung, einer Direktheizung oder einem Heizkörper verwendet werden. Das elektrische Warmwasseraufbereitungssystem kann ebenfalls in Haushaltsgeräten, wie bspw. Kaffeemaschinen, Wäschetrocknern, Wäschemaschinen, Geschirrspülern, Reinigungsautomaten, Desinfektionsautomaten oder dergleichen verwendet werden.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Warmwasseraufbereitungssystems. Hierbei kann ein elektrisches Beschichtungsmaterial auf einem Substrat aufgebracht werden. Das Schicht-Wärmeübertragungselement kann als ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement ausgestaltet sein. Eine elektrisch leitende Schicht kann thermisch auf dem Substrat aufgebracht werden. Eine elektrisch isolierende Schicht kann auf der elektrisch leitenden Schicht thermisch gespritzt werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das doppelwandige Heizelement in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können elektrische Leistungsbauteile thermisch verspritzt werden.
  • Gemäß der Erfindung kann eine Aluminiumoxid-Schicht auf einem Substrat vorgesehen werden, eine Titansuboxid-Schicht kann auf der ersten Aluminiumoxid-Schicht vorgesehen werden und eine weitere Aluminiumoxid-Schicht kann auf der Titansuboxid-Schicht aufgebracht werden.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteile und Ausführungsbespiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
    • Fig. 1A bis 1D
    zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 2
    zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 3 und 4
    zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines flächigen elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 5
    zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines kreisringförmigen elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 6
    zeigt eine schematische Schnittansicht einer hydraulischen Abdichtung und einer elektrischen Kontaktierung eines flachförmigen Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 7
    zeigt eine schematische Schnittansicht eines doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Fig. 8 - 10
    zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Heizeinheit für ein doppelwandiges Schicht-Wärmeübertragungselementes,
    Fig. 11A und 11B
    zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines SchichtWärmeübertragungselementes gemäß der Erfindung,
    Fig. 12A und 12B
    zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines SchichtWärmeübertragungselementes gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung,
    Fig. 13A
    zeigt eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers,
    Fig. 13B
    zeigt eine schematische Schnittansicht des Durchlauferhitzers, und
    Fig. 14
    zeigt eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragungselementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • Fig. 1A bis 1D zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes. Wie in den Fig. 1A bis 1D zu sehen, sind vier unterschiedliche Ausgestaltungen des Wärmeübertragungselementes gezeigt. In Fig. 1A ist ein kreisringförmiges bzw. zylindrisches Wärmeübertragungselement, in Fig. 1B ist ein flachförmiges Wärmeübertragungselement, in Fig. 1C ist ein spiralförmiges Wärmeübertragungselement und in Fig. 1D ist ein helixförmiges Wärmeübertragungselement gezeigt. Diese vier Substrate sind aus der Sicht der Wärmeübertragung, der Beschichtbarkeit, sowie einer rationalen Fertigbarkeit vorteilhaft. Das Wärmeübertragungselement weist ein Substrat 100 und einen Beschichtungsbereich 200 auf. Die kreisringförmigen Substrate gemäß Fig. 1 können aus metallischen Werkstoffen, wie Edelstahl, Aluminium, Kupfer, sowie aus keramischen Werkstoffen aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrit oder vergleichbaren Werkstoffen wie Siliziumoxid (Quarz) als auch verschiedenen Borsilikatgläsern bestehen. Kreisförmige Substrate lassen sich nach einer Vorbehandlung der Oberflächen außen als auch innen beschichten. Die Beschichtungen auf den kreisringförmigen Substraten können über entsprechende Maskierungen oder speziellen Ätzverfahren vollflächig aufgebracht werden.
  • Das Substrat 100 gemäß Fig. 1A ist kreisringförmig ausgestaltet und der Beschichtungsbereich 200, d. h. der Bereich in oder an welchem die erfindungsgemäße Schicht vorgesehen ist, ist innen oder außen aufgetragen. Das Wärmeübertragungselement gemäß Fig. 1B ist flachförmig ausgestaltet und ein Beschichtungsbereich 200 ist auf dem flachförmigen Substrat 100 vorgesehen. Das Wärmeübertragungselement gemäß Fig. 1C ist zumindest teilweise spiralförmig ausgestaltet. Das Substrat 100 weist ein erstes, beispielsweise flaches Ende 110, ein zweites, beispielsweise flaches Ende 120, sowie einen Beschichtungsbereich 200 dazwischen auf, wobei der Beschichtungsbereich zumindest teilweise spiralförmig ausgestaltet ist. Bei dem Wärmeübertragungselement gemäß Fig. 1D ist ein Substrat 100 mit einem flachen ersten Ende, einem flachen zweiten Ende sowie einem Beschichtungsbereich 200 dazwischen vorgesehen, welcher helixförmig ausgestaltet ist.
  • Die flach-, spiral- als auch die helixförmigen Substrate können im Prinzip auch aus allen Werkstoffen gefertigt werden. Als Werkstoffe können thermoplastische Kunststoffe Polyamide und Polyoxymethylene als auch die keramischen Werkstoffe Aluminiumoxide und -nitrite verwendet werden.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes. Neben der Beschichtung von einzelnen Substraten können auch Halbschalen/Isolierungsblöcke oder Behälter beschichtet werden. Das Wärmeübertragungselement kann als zwei Halbschalen ausgestaltet werden, wobei diese Halbschalen zumindest teilweise an ihrer Innenseite beschichtet sein können, um die Wärmeübertragungsschichten vorzusehen. Das Wärmeübertragungselement 300 weist einen Einlauf 310, einen Auslauf 320, mindestens einen Kanal 330 zwischen dem Ein- und Auslauf 310, 320 sowie Beschichtungsbereiche 200 auf, welche sich entlang des Kanals 330 erstrecken.
  • Fig. 3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines flächigen elektrischen Schicht-Wärmeübertragungsetementes. Die Herstellung der flachförmigen Schicht- Wärmeübertragungselemente beginnt mit der vollständigen Reinigung im tensidischen Nassbad. Danach wird vollflächig eine Nickel-Chromlegierungsschicht -, wobei zum Rand hin ein Abstand von einem 1 mm eingehalten wird, realisiert. Weiterhin werden die Vorderseite und die Rückseite des flachförmigen Aiuminiumoxidsubstrates 101 mit einer Maskierung versehen, damit der Abstand zur Berandung von 1 mm eingehalten wird. Dadurch werden zwei elektrisch voneinander getrennte Bereiche erzeugt. Durch die Trennung des elektrischen Heizleiters kann das Heizelement später die beiden Bereiche entweder in Reihe oder Parallel nutzen. Die elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht wird vollflächig auf beiden Seiten aufgebracht. Es wird ausschließlich eine kleine Aussparung an den beiden Enden des Heizelementes maskiert, an der Stelle, wo später die elektrische Kontaktierung angebracht wird.
  • Auf einem flachförmigen Substrat 101 wird eine Heizleiterschicht 102 (Nickel-Chrom, Indium-Zinnoxid, Titannitrat) aufgebracht. Anschließend kann eine erste Kontaktschicht 100a aus Kupfer aufgebracht werden. Danach kann eine zweite Kontaktschicht 100b, beispielsweise ebenfalls aus Kupfer, vorgesehen sein. Anschließend kann eine Isolationsschicht 103 (beispielsweise Aluminiumoxid) aufgebracht werden. Dann können Kontaktschichtbolzen 100c, beispielsweise aus Kupfer, an den Enden vorgesehen werden. Ein Dichtbolzen 100d mit Nut für einen O-Ring kann vorgesehen werden. Schließlich kann ein elektrischer Kontaktierungsbolzen 100e vorgesehen sein.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines kreisringförmigen oder zylindrischen elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselementes. Das kreisringförmige elektrische Schicht-Wärmeübertragungselement weist ein Substrat 101, eine Isolationsschicht 102, eine Heizleiterschicht 103, eine Heizleiter-Kontaktschicht 103a sowie eine Isolationsschicht 104 auf.
  • Das Substrat 101 kann aus Aluminiumoxid, Borsilikat-Glas oder aus Kupfer hergestellt sein. Die Isolationsschicht 102 kann beispielsweise aus Siliziumoxid hergestellt sein. Die Heizleiterschicht 103 kann aus Nickel-Chrom, Indium-Zinkoxid oder beispielsweise Titannitrat hergestellt sein. Die Heizleiter-Kontaktschicht 103a kann beispielsweise aus Kupfer hergestellt sein. Die zweite Isolationsschicht 104 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid hergestellt sein.
  • Gemäß der Erfindung können diese Schichten durch thermisches Spritzen, Sputtern aus der physikalischen Gasphasenabscheidung verwendet werden. Mittels dieser Verfahren werden auf den kreisring- und flachförmigen Substratgeometrien vollflächige und partielle elektrisch leitende und elektrisch isolierende Funktionsschichten abgeschieden. Bei den kreisförmigen Substratgeometrien werden mittels des thermischen Spritzens, sowie mit dem Sputtern Aluminiumoxid- und auch Kupferrohre und Edelstahlrohre beschichtet.
  • Die Fig. 5 zeigt den Schichtaufbau der kreisringförmigen Wärmeübertragungselemente. Die kreisringförmigen Schicht- Wärmeübertragungselemente führen im Inneren des Rohres das zu erwärmende Medium. Durch die Aufbringungen der elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten 102, 103 wird die elektrische Leistung außerhalb des zu erwärmenden Mediums (Wasser) erzeugt. Dadurch haben wir keinen elektrischen Strom im Medium (Wasser) und können auf Vor- und Nachschaltstrecken verzichten. Der große Vorteil der sich daraus ergibt, ist, dass die Fließdruckverluste reduziert werden. Die fiachförmigen Schicht-Wärmeübertragungselemente (Fig. 2) liegen direkt im vorbei strömenden Medium. Hierbei ist der große Vorteil, dass die elektrische Leistung dem Medium direkt zugeführt werden kann.
  • Das thermische Spritzen, in Form des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS), erzeugt außen auf dem Aluminiumoxidrohr 101 zunächst eine definierte unterstochimetrische Titansuboxid- Schicht. Diese Titansuboxidschicht mit einem spezifischen Widerstand von 0,04 Ohmcm kann als Heizleiter dienen und erzeugt eine Leistung, je nach Schichtdicke und Länge des Heizelementes, von 500 W bis 5000 W. Anschließend kann das Aluminiumoxidrohr mittels einer entsprechenden Maskierung versehen werden. Die Maskierung kann so aufgebaut sein, das an entsprechenden Stellen Aussparungen für die Kontaktierung vorgesehen werden. Anschließend kann mittels des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens Kupfer 103a an die Kontaktstellen gespritzt werden. Das Kupfer dient zur Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit und zur Minimierung lokaler Hotspots. Damit werden die Kontakt- und Übergangswiderstände später bei entsprechender elektrischer Kontaktierung mit zum Beispiel einer Schelle reduziert. Alternativ könnten auch elektrisch leitende Lacke verwendet werden. Der Herstellungsprozess wird mit der Auftragung einer abschließenden elektrischen Isolationsschicht, die gleichzeitig auch eine thermische Isolationsschicht ist, abgeschlossen. Zur elektrischen Isolation wird mittels des APS-Verfahrens eine Aluminiumoxidschicht verwendet.
  • Bei der Beschichtung des Kupferrohres bzw. eines Edelstahlrohres 101 als Substrat wird bei dem thermischen Spritzen vor der Titansuboxidschicht noch eine elektrisch isolierende Aluminiumoxidschicht aufgetragen. Ziel ist es, mit der elektrisch isolierenden Schicht eine elektrische Trennung zwischen Kupfer und dem Titansuboxid zu realisieren. Damit wird auch eine elektrische Isolation zwischen dem zu erwärmenden Medium und dem Heizleiter erzeugt. Alle weiteren Prozessschritte ähneln dem Aufbau und der Herstellung des oben beschriebenen Aluminiumoxidrohres.
  • Das Sputtern bietet neben der Beschichtung der kreisringförmigen Substrate auch die Möglichkeit flach-, spiral- und helixförmige Substrate mittels einer definierten Schicht zu versehen. Bei den kreisringförmigen Substraten werden vor dem Beschichten alle Substrate gereinigt und einer Plasmavorbehandlung unterzogen. Danach wird das Kupfer- und Aluminiumoxidrohr mit multifunktionalen Schichten versehen. Als Heizleiterwerkstoff wird beim Sputtern eine Nickel-Chromlegierung verwendet. Die Nickel-Chromlegierung hat einen spezifischen Widerstand von ca. 0,000112 Ohmcm. Damit lassen sich Leistungen im Bereich von 500 W bis 2500 W realisieren. Beim Kupferrohr wird vorher noch eine Aluminiumoxidschicht mit den reaktiven Sputtern, d.h. in diesem Fall wird zusätzlich noch ein reaktives Gas (Sauerstoff, Stickstoff) in den Prozess integriert, aufgebraucht. In beiden Fällen wird eine Maske aufgetragen, um an den äußeren Stellen eine Kupferschicht für die spätere Kontaktierung abzuscheiden. Nachdem die partielle Kupferschicht aufgetragen wurde, wird zur elektrischen und thermischen Isolation noch eine Aluminiumoxidschicht als Schutzschicht aufgebracht.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hydraulischen Abdichtung und einer elektrischen Kontaktierung eines flachförmigen Wärmeübertragungselementes. An einem Ende des Schicht-Wärmeübertragungselementes ist eine lötfähige Kupferschicht zur Abdichtung des hydraulischen Abdichtbolzens vorgesehen, wobei der hydraulische Abdichtbolzen 3 an dem Ende vorgesehen ist. Ferner sind äußere umlaufende elektrisch isolierende Schichten aus Aluminiumoxid vorhanden. Des Weiteren ist ein elektrischer Kontaktbolzen 2 beispielsweise aus Messing vorgesehen. An dem Substrat des Wärmeübertragungselementes können Aussparungen für Lötungen zwischen der Kupferkontaktierungsschicht und dem elektrischen Kontaktbolzen 2 vorgesehen sein. In Fig. 6 ist ferner ein flachförmiges Schicht-Wärmeübertragungselement 8a dargestellt. Das flachförmige Schicht-Wärmeübertragungselement 8a weist eine lötfähige Kupferschicht 8c zur Abdichtung des hydraulischen Abdichtbolzens 3 auf. Ferner ist eine äußere umlaufende elektrisch isolierende Schicht 8d beispielsweise aus Aluminumoxid vorhanden. In dem Substrat können Aussparungen 8e für Lötungen zwischen der Kupferkontaktierungsschicht und den Bolzen vorgesehen sein.
  • Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittansicht eines doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das doppelwandige Schicht-Übertragungselement 1060 weist ein Kupfersubstrat 1020, ein dünnes außenführendes Rohr 1030, einen innenführenden Strömungskanal 1040, einen außenführenden Strömungskanal 1050, einen Isolationsblock 1060, einen elektrisch isolierenden Polymer bzw. Keramikbolzen 1070, eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht (bzw. eine elektrisch isolierende Verdichtungsmasse) 1080, eine thermisch gespritzte elektrisch leitende TiOx-Schicht 1090 und optional ein um den Umfang fixiertes Stanzgitter 1091, welches anschließend thermisch verspritzt oder thermisch verdichtet wird, auf. Die elektrische Kontaktierung wird bei den kreisringförmigen Schicht-Wärmeübertragungselementen über Schellen oder über ausgeformte Stanzgitterbauteile (Fig. 7) bzw. über eine oder mehrere Bolzen (Fig. 6) bei den flachförmigen Schicht-Wärmeübertragungselementen realisiert.
  • In Fig. 7 wird ein doppelwandiges Schicht-Wärmeübertragungselement vorgestellt. Bei diesem Beheizungselement können die Stanzgitterbauteile auf eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht werden. Anschließend entsprechend positioniert und mit einer weiteren elektrischen Isolationsschicht durch das thermische Spritzen verspritzt oder mit Magnesiumoxidpulver verdichtet. Die Betrachtung eines solchen doppelwandigen Heizelementes könnte auch die Möglichkeit bieten, die elektronischen Leistungsbauteile wie z.B. Triacs zu verspritzen und damit den bisherigen Aufwand bei der elektrischen Verbindungstechnik minimieren.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement vorgesehen. Das Übertragungselement 1000 weist ein Substrat 1020 (beispielsweise aus Kupfer) mit einem inneren Strömungskanal 1040 und einem äußeren Strömungskanal 1050 auf. Der äußere Strömungskanal 1050 kann optional durch einen Isolationsblock 1060 begrenzt sein. Das Wärmeübertragungselement weist ferner eine thermisch gespritzte elektrisch leitende Schicht 1090 sowie eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht 1080 auf. Zwischen der elektrisch leitenden Schicht 1090 und dem Wasser in dem inneren oder äußeren Strömungskanal 1040, 1050 ist optional eine elektrisch isolierende Schicht vorhanden, so dass die elektrisch leitende Schicht nicht in direktem Kontakt mit dem Wasser steht. Damit kann auf Ableitstrecken verzichtet werden.
  • Fig. 8 bis Fig. 10 zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Heizeinheit für ein doppelwandiges Schicht-Wärmeübertragungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Heizeinheit für ein doppelwandiges Schicht-Wärmeübertragungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Heizeinheit 2000 weist eine Leiterplatine 2100 zur Kontaktierung der Heizelemente, einen oberen Flansch 2200, einen oberen Zwischenflansch 2300, eine Beheizung 1000, einen Isolierkörper 2400, einen unteren Zwischenflansch 2500 und einen unteren Flansch 2600 auf. In Fig. 8 wird eine Beheizung dargestellt, welche eine Umsetzung der Schicht-Wärmeübertragungselemente im Bereich der elektrischen Warmwasseraufbereitung ermöglicht. Die konzipierten doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselemente haben einen prinzipiellen Schichtaufbau, wie dieser in Fig. 5 für thermisch gespritzte Heizelemente beschrieben worden ist. Weiterhin wird das doppelwandige Wärmeübertragungselement durch die Aufnahme der ausgeformten Stanzgitterbauteile zur elektrischen Kontaktierung charakterisiert. Die Stanzgitterbauteile werden in einem zusätzlichen Schritt mit einer elektrisch isolierenden Schicht thermisch verspritzt oder mit einem elektrisch isolierenden Pulver verdichtet. Anders als bei den obigen Schicht-Wärmeübertragungselementen, erfolgt beim doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselement noch ein weiterer Prozessschritt. Nachdem die Isolationsschicht aufgebracht wurde, wird ein dünnes Kupfer- oder Edelstahlrohr im erwärmten Zustand über das vorbereitete Heizelement gezogen. Durch das anschließende Abkühlen schmiedet sich dieses Rohr um das Heizelement.
  • Der wesentliche Vorteil der doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselemente basiert auf dem beidseitigen Umströmen des Fluids entlang der wärmeübertragenden Oberfläche. Die beidseitige Umströmung, wie sie in Fig. 7 aufgezeigt wird, reduziert die Oberflächentemperaturen und fördert damit die Verkalkungsbeständigkeit bei gleichzeitig effektiver Wärmeübertragung.
  • In Fig. 9 sind verschiedene Komponenten des Schicht-Wärmeübertragungselementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Schichtwärmeübertragungssystem 1000 weist ein Substrat 1020, eine Isolationsschicht 1070, eine Heizleiterschicht 1090, eine zweite Isolationsschicht 104, optional ein Stanzgitter 1091, eine Isolationsschicht 1080, einen elektrisch isolierenden Bolzen 1070, einen Isolierkörper 1060 auf. Optional kann ein oberer Flansch 2200 und ein oberer Zwischenflansch 2300 vorgesehen sein.
  • Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer hydraulischen Abdichtung des Schicht-Wärmeübertragungselementes in einem Beheizungsblock. Desweiteren wird die Beheizung durch eine zweistufige hydraulische Abdichtung charakterisiert, wie sie in Fig. 14 aufgezeigt wird. Zum einen wird eine Abdichtung mit O-Ringen 2310 zwischen Isolierkörper 2400 und oberen Zwischenflansch 2300 realisiert und zum anderen wird eine Profildichtung 2210 an der Schnittstelle zwischen oberen Zwischenflansch 2300 und oberen Flansch 2200 eingesetzt. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, um die beidseitige Umströmung der doppelwandigen Schicht-Wärmeübertragungselemente umzusetzen.
  • Die Vorteile der Erfindung sind, gegenüber dem Blankdraht-Heizsystem geringere Druckverluste. Die elektrischen Schicht-Wärmeübertragungselemente können gegenüber dem Blankdraht-Heizsystem ohne Einschränkung der Wasserqualität überall eingesetzt werden. Gegenüber dem Blankdraht-Heizsystem können die elektrischen Schicht- Wärmeübertragungselemente ohne Vor- und Nachschaltstrecken auskommen und benötigen damit ein geringeres Bauvolumen. Gegenüber dem Rohrheizkörper können schnellere Aufheiz- und Abkühlzeiten realisiert werden. Gegenüber dem Rohrheizkörper ist eine größere Beständigkeit gegen Ablagerungen (CaCO3, CaSO4, Mg(OH)2) und Luftblasen vorhanden.
  • Die erfindungsgemäßen Schicht-Wärmeübertragungselemente können in allen Warmwasseraufbereitern, wie zum Beispiel: Durchlauferhitzer, Warmwasser-Speicher, Kochendwassergeräte, Heißwasserautomaten, Händetrockner, Wärmepumpen, Lüftungsgeräte, Klimageräte, Luftentfeuchter, Wärmespeicher, Natursteinheizungen, Flächenheizungen/Fußbodenheizungen, Direktheizer, Badheizkörper, Kaffeemaschinen, Wäschetrockner, Waschmaschinen, Spülmaschinen/Geschirrspüler, Reinigungsautomaten/- geräte, Desinfektionsautomaten/-geräte, eingesetzt werden.
  • Fig. 11A und 11B zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Schicht-Wärmeübertragungselementes gemäß der Erfindung. Das Wärmeübertragungselement 1000 weist ein Rohr 1020 auf, auf welchem eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht 1080 und eine thermisch gespritzte elektrisch leitfähige Schicht 1090 aufgebracht wird. Die elektrisch leitende Schicht 1090 bildet dann den Kern des elektrischen Heizelementes. Das Heizelement kann ferner ein Außenrohr 1030 aufweisen und in einem weiteren Rohr platziert sein, so dass Wasser sowohl durch einen inneren Strömungskanal 1040 als auch durch einen äußeren Strömungskanal 1050 fließen kann und beim Durchfluss durch das Rohr durch das Heizelement aufgeheizt wird.
  • In Fig. 11B ist das Heizelement ohne Außenrohr dargestellt. Das Heizelement weist ferner einen elektrischen Anschlussbolzen 1092 sowie eine elektrisch isolierende Hülse 1093 auf.
  • Fig. 12A und 12B zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines Schicht-Wärmeübertragungselementes gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das Schicht-Wärmeübertragungselement weist ein Rohr bzw. zylinderförmiges Substrat 1020, thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schichten 1080 und thermisch gespritzte elektrisch leitende Schichten 1090 auf. Die elektrisch leitende Schicht 1090 kann über die elektrisch leitenden Bolzen 1092 kontaktiert werden. Die Hülsen 1093 sind elektrisch isolierend ausgestaltet.
  • Fig. 12B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Wärmeübertragungselementes von Fig. 12A.
  • Fig. 13A zeigt eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers und Fig. 13B zeigt eine schematische Schnittansicht des Durchlauferhitzers. Der Durchlauferhitzer weist ein Schicht-Wärmeübertragungselement gemäß der Erfindung auf, wobei das Schicht-Wärmeübertragungselement direkt während des Spritzgusses eingebunden wird. Das Heizelement 1000 wird somit mit Kunststoff umspritzt. Das Heizelement ist dann direkt in den Spritzguss integriert.
  • Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragungselementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Wärmeübertragungselement weist ein rohrförmiges Substrat 1040 mit thermisch gespritzten elektrisch isolierenden Schichten 1080 und thermisch gespritzten elektrisch leitfähigen Schichten 1090 auf. Die elektrisch leitfähige Schicht 1090 kann über den elektrisch leitenden Bolzen 1092 kontaktiert werden. Zusätzlich zu der elektrisch leitfähigen Schicht 1090 kann ein Biankdraht-Heizsystem 1094 integriert werden, um die Heizleistung des Schichtelementes zu unterstützen.
  • Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement mit einem Heizleiter aus einem blanken Heizleiterdraht vorgesehen. Ein inneres Rohr des doppelwandigen Wärmeübertragungselementes kann als Kupferrohr oder als SS-Rohr ausgestaltet sein. Eine thermisch gespritzte Isolierschicht kann auf dem inneren Rohr vorgesehen sein. Über die thermisch isolierende Schicht kann ein Heizdraht (beispielsweise NiCr 8020) gewickelt werden. Danach kann eine elektrisch isolierende Schicht thermisch verspritzt werden. Nachdem die thermisch gespritzten Schichten aufgetragen worden sind, kann eine Nachbehandlung der Schicht stattfinden, wobei Spitzen der oberen Isolierschicht, welche auf Grund der Rauigkeit der Behandlung entstanden sind, abgeschliffen werden können. Anschließend kann ein Außenrohr übergezogen werden.

Claims (7)

  1. Elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem, mit
    einem Schicht-Wärmeübertragungselement, welches ein Substrat (101) und eine Heizeinheit (103) aus einem elektrischen Beschichtungsmaterial aufweist, wobei das elektrische Beschichtungsmaterial (103) auf dem Substrat (101) angeordnet ist,
    wobei das Schicht-Wärmeübertragungselement als ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement ausgestaltet ist und einen innenführenden Strömungskanal (1040), einen außenführenden Strömungskanal (1050), eine thermisch gespritzte elektrisch leitende Schicht (1090), eine thermisch gespritzte elektrisch isolierende Schicht (1080), ein Substrat (1020) und eine Isolationseinheit (1060) aufweist.
  2. Elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem nach Anspruch 1, wobei
    das doppelwandige Wärmeübertragungselement in einem Spritzgussprozess umspritzt wird.
  3. Elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, mit
    elektrischen Leistungsbauteilen, wobei die elektrischen Leistungsbauteile thermisch eingespritzt sind.
  4. Elektrisches Warmwasseraufbereitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    das Schicht-Wärmeübertragungselement mindestens eine Schicht Aluminiumoxid, gefolgt von einer Titansuboxid-Schicht und wiederum einer Aluminiumoxid-Schicht aufweist.
  5. Haustechnikgerät, mit
    einem elektrischen Warmwasseraufbereitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  6. Haushaltsgerät, mit
    mindestens einem elektrischen Warmwasseraufbereitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  7. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Warmwasseraufbereitungssystems, welches ein Schicht-Wärmeübertragungselement mit einem Substrat und einer Heizeinheit aus einem elektrischen Beschichtungsmaterial aufweist, wobei das elektrische Beschichtungsmaterial auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das Schicht-Wärmeübertragungselement ein doppelwandiges Wärmeübertragungselement aufweist, mit den Schritten:
    Umspritzen des doppelwandigen Heizelementes,
    thermisches Spritzen einer elektrisch leitenden Schicht, und
    thermisches Spritzen einer elektrisch isolierenden Schicht.
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