ES2280084T3

ES2280084T3 - Elemento calefactor de inmersion mejorado con revestimiento polimerico altamente termoconductor.

Info

Publication number: ES2280084T3
Application number: ES97953245T
Authority: ES
Inventors: Charles M. Eckman; James S. Roden; Arie Hochberg
Original assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Current assignee: Rheem Manufacturing Co; Energy Convertors Inc
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2007-09-01
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: HU694B; CN1130107C; EP0945046A1; CZ298229B6; BR9713584B1; BR9713584A; TW391017B; JP2001506798A; HU225925B1; PL334022A1; AU723667B2; HK1023479A1; ID19128A; EP0945046B1; DE69737359D1; TR199901313T2; CN1237317A; CA2269600A1; HUP0000694A3; AU5703598A

Abstract

SE PROPORCIONAN ELEMENTOS DE CALENTAMIENTO (100) POR RESISTENCIA ELECTRICA, QUE SON UTILES PARA CALENTAR MEDIOS FLUIDOS, TALES COMO AIRE Y AGUA. LOS ELEMENTOS DE CALENTAMIENTO INCLUYEN UN CUERPO DE ELEMENTO (100), QUE TIENE UNA SUPERFICIE DE SOPORTE (10) Y UN HILO DE RESISTENCIA (14) ENROLLADO SOBRE LA SUPERFICIE DE SOPORTE (10) QUE VA CONECTADA A UN PAR DE PORCIONES DE EXTREMO DE TERMINAL (16 Y 12). COLOCADO SOBRE EL HILO DE RESISTENCIA (14) Y LA MAYOR PARTE DE LA SUPERFICIE DE SOPORTE (10) SE ENCUENTRA UN REVESTIMIENTO POLIMERICO (30) QUE ENCAPSULA HERMETICAMENTE Y AISLA ELECTRICAMENTE EL HILO DE RESISTENCIA (14) DE LOS FLUIDOS QUE DEBEN CALENTARSE. ESTE REVESTIMIENTO POLIMERICO TERMOCONDUCTOR (30) TIENE UN VALOR DE CONDUCTIVIDAD TERMICA DE AL MENOS UNOS 0,5 W/MK. PREFERENTEMENTE SE MEJORAN AUN MAS LAS PROPIEDADES SI SE UTILIZAN ADITIVOS DE POLVO DE CERAMICA, OXIDO DE ALUMINIO, OXIDO DE MAGNESIO Y FIBRA DE VIDRIO.

Description

Elemento calefactor de inmersión mejorado con revestimiento polimérico altamente termoconductor.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de los elementos calefactores con resistencia eléctrica, y más concretamente, al campo de los elementos calefactores con resistencia que contiene polímero para calentar gases y
líquidos.

Antecedentes de la invención

Los elementos calefactores con resistencia eléctrica utilizados en conexión con calentadores de agua han sido tradicionalmente fabricados con componentes metálicos y cerámicos. Una construcción típica incluye un par de espigas terminales cobresoldadas a los extremos de una bobina de Ni-Cr, la cual es a continuación dispuesta axialmente a través de una vaina metálica tubular en forma de U. La bobina de resistencia está aislada de la vaina metálica por un material cerámico en polvo, generalmente óxido de magnesio.

Aunque dichos elementos calefactores convencionales han sido durante décadas el auxiliar imprescindible en la industria de los calentadores de agua, existe un reconocimiento generalizado acerca de algunas de sus deficiencias. Por ejemplo, las corrientes galvánicas que tienen lugar entre la vaina metálica y cualquier superficie metálica al descubierto dentro del tanque pueden crear la corrosión de los diversos componentes metálicos anódicos del sistema. La vaina metálica del elemento calefactor, la cual es típicamente cobre o una aleación de cobre, también atrae depósitos de cal procedentes del agua, lo que puede conducir al fallo prematuro del elemento calefactor. Así mismo, el uso de piezas de latón y de tubuladuras de cobre se ha convertido cada vez más en un factor gravoso debido al incremento del precio del cobre a lo largo de los años.

Como alternativa a los elementos metálicos, al menos ha habido una propuesta de un elemento calefactor eléctrico de vaina de plástico, constituida por la Patente estadounidense No. 3,943,328 de Cunningham. En el dispositivo divulgado, el hilo de resistencia y el óxido de magnesio en polvo convencionales se usan en combinación con una vaina de plástico. Dado que la vaina de plástico es no conductora, no hay una celda galvánica creada con las otras partes metálicas de la unidad calefactora en contacto con el agua del tanque, no existiendo tampoco formación de cal. Desgraciadamente, por diversas razones, estos elementos calefactores de vaina de plástico de la técnica anterior no podían alcanzar los elevados niveles de vatiaje en el curso de una vida normal de servicio útil, y en consecuencia, no fueron ampliamente aceptados.

El documento DE 38 36 387 divulga un dispositivo calefactor en forma de placa de PTFE (politetrafluoroetileno) para su inmersión en líquidos agresivos que incorpora un cuerpo calefactor en forma de placa plana y un elemento calefactor que comprende un resistor eléctrico.

El documento FR 2,517,918 divulga un cuerpo de calefactor que tiene un elemento eléctrico en forma de filamentos de resistencia incrustados en una estructura de transferencia térmica metálica con aletas de un núcleo de esteatita, estando el elemento eléctrico constituido por un hilo de resistencia que está a su vez envuelto en una vaina dieléctrica que es revestida con aerosol sobre el alambre y el formero refractario. La estructura es entonces fundida con una película de recubrimiento de cemento refractario protector o es cubierta con una camisa de metal protectora o es maquinada o rectificada sobre la pared lateral de la estructura.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona unos elementos calefactores de resistencia eléctricos para su uso en conexión con medios fluidos calefactores, como por ejemplo aire y agua. Estos elementos incluyen cuerpo del elemento que tiene una superficie de soporte sobre dicho cuerpo y un hilo de resistencia enrollado sobre la superficie de soporte y conectada a al menos un par de porciones terminales del elemento. Dispuesta sobre el hilo de resistencia y sobre la superficie de soporte se encuentra un revestimiento polimérico térmicamente conductor que forma un sello hermético alrededor del hilo de resistencia, en el que la superficie de soporte es parte de un molde interior hecho con un polímero termoplástico de alta temperatura, comprendiendo dicho revestimiento polimérico un aditivo cerámico no conductor eléctricamente y térmicamente conductor y es sobremoldeado para formar una unión termoplástica con dicha superficie de soporte de dicho molde interior.

Como mejora adicional, el revestimiento polimérico térmicamente conductor tiene un valor de conductividad térmica de al menos 0,5 W/m ºK.

El revestimiento polimérico térmicamente conductor tiene un valor de conductividad térmica de al menos aproximadamente 0,5 W/m ºK.

Los elementos calefactores de la presente invención están diseñados para proporcionar unos niveles de vatiaje de 1000 W hasta aproximadamente 6000 W y superiores. Para el calentamiento de gas, estos elementos pueden proporcionar unos vatiajes inferiores a aproximadamente 1200 W. Los revestimientos mejorados de polímero térmicamente conductores de la presente invención proporcionan unos valores de conductividad térmica que permiten una disipación térmica mejorada a partir del hilo de resistencia. Esta propiedad posibilita que los elementos divulgados proporcionen un calentamiento de fluido eficiente sin fundir los revestimientos poliméricos relativamente delgados. Son preferentes cargas que oscilen entre aproximadamente de 60 a 200 partes de material cerámica por 100 partes de resina en el revestimiento de polímero. El límite inferior se establece por la cantidad de conductividad térmica necesaria para calentar fluidos, y el límite más alto se establece para proporcionar un moldeo más fácil de estos elementos mediante tratamientos estándar, como por ejemplo moldeo por inyección. Un refuerzo de fibras también ha sido útil para proporcionar resistencia mecánica al revestimiento polimérico para ofrecer resistencia al agrietamiento y a la deformación durante las cargas térmicas cíclicas, tales como las experimentadas en un calentador de
agua.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos que se acompañan ilustran formas de realización preferentes de la presente invención, así como demás información pertinente relacionada con la divulgación, dibujos en los cuales:

Fig. 1: es una vista en perspectiva de un calentador de fluido polimérico preferente de la presente invención;

Fig. 2: es una vista en planta, del lado izquierdo, del calentador de fluidos polimérico de la Fig. 1;

Fig. 3: es una vista planar frontal, que incluye unas vistas en sección transversal parcial y sin cubierta, del calentador de fluidos polimérico de la Fig. 1;

Fig. 4: es una vista sección transversal, planar frontal, de una porción del molde interior preferente del calentador de fluidos polimérico de la Fig. 1;

Fig. 5: es una vista en sección transversal parcial, planar frontal, de un montaje terminal preferente del calentador de fluidos polimérico de la Fig. 1;

Fig. 6: es una vista planar frontal parcial de tamaño ampliado del extremo de una bobina preferente para un calentador de fluidos polimérico de la presente invención: y

Fig. 7: es una vista planar frontal parcial de tamaño ampliado de una forma de realización preferente de bobina dual para un calentador de fluidos polimérico de la presente invención;

Fig. 8: es una vista en perspectiva frontal de un bastidor de soporte de esqueleto preferente del elemento calefactor de la presente invención:

Fig. 9: es una vista parcial de tamaño ampliado del bastidor de soporte esqueleto preferente de la Fig. 8, que ilustra un revestimiento polimérico depositado térmicamente conductor;

Fig. 10: es una vista en sección transversal de tamaño ampliado de un bastidor de soporte esqueleto alternativo;

Fig. 11: es una vista en planta lateral del bastidor de soporte esqueleto de la Fig. 10;

Fig. 12: es una vista en planta frontal del completo bastidor de soporte esqueleto de la Fig. 10.

Descripción detallada de la invención

La presente invención proporciona unos elementos calefactores con resistencia eléctrica y unos calentadores de agua que contienen estos elementos. Estos dispositivos son útiles al reducir al mínimo la corrosión galvánica producida dentro del agua y de los radiadores eléctricos rellenos de aceite, así como la formación de cal y los problemas del acortamiento de la vida útil de los elementos. Tal como se utilizan en la presente memoria, los términos "fluido" y "medio fluido" se aplican tanto a líquidos como a gases.

Con referencia a los dibujos, y concretamente con referencia a las Figs. 1 a 3 de aquellos, en ellos se muestra un calentador polimérico 100 de fluidos de la presente invención. El calentador polimérico 100 de fluidos contiene un material calefactor con resistencia, eléctricamente conductor. Este material calefactor con resistencia puede tener forma de hilo, malla, cinta, o serpentina, por ejemplo. En el calentador preferente 100, una bobina 14 que tiene un par de extremos libres unidos a un par de porciones terminales 12 y 16 está dispuesta para generar un calentamiento con resistencia. La bobina 14 está herméticamente y eléctricamente aislada del fluido con una capa integral de un material polimérico de alta temperatura. En otras palabras, el material activo de calefacción con resistencia está protegido de la formación de cortocircuitos en el fluido mediante el revestimiento polimérico. El material de resistencia de la presente invención tiene el área, la longitud o el grosor superficiales en sección transversal suficientes para calentar el agua a una temperatura de al menos aproximadamente 48,9ºC sin fundir los propios materiales y sus
dimensiones.

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Con referencia a la Fig. 3 en particular, el calentador polimérico preferente 100 de fluidos comprende genéricamente tres partes: un montaje terminal 200, mostrado en la Fig. 5, un molde interior 300, mostrado en la Fig. 4, y un revestimiento polimérico 30. A continuación se describirá con mayor detalle cada uno de estos subcomponentes, y su montaje final dentro del calentador polimérico 100 de fluidos.

El molde interior preferente 300 mostrado en la Fig. 4, es un componente moldeado por inyección de una sola pieza hecho con un polímero termoplástico de alta temperatura. El molde interior 300 incluye preferentemente una brida 32 para proporcionar un sello hermético al agua más seguro. Adyacente a la brida 32 se encuentra una porción de collarín que tiene una pluralidad de hilos de rosca 22. Los hilos de rosca 22 están diseñados para su ajuste dentro del diámetro interior de una abertura de montaje practicada a través de la pared lateral de un tanque de almacenaje, por ejemplo dentro de un tanque 13 de agua caliente. Una junta tórica (no mostrada) puede emplearse sobre la superficie interior de la brida 32 para proporcionar un sello hermético al agua más seguro. El molde interior preferente 300 también incluye una cavidad de termistor 39 situada dentro de su sección transversal circular preferente. La cavidad de termistor 39 puede incluir una pared terminal 33 para separar el termistor 25 del fluido. La cavidad de termistor 39 preferentemente se abre a través de la brida 32 para proporcionar una fácil inserción del montaje terminal 200. El molde interior preferente 300 también contiene al menos un par de cavidades de conductor 31 y 35 situadas entre la cavidad de termistor y la pared externa del molde interior para recibir la barra 18 del conductor y el conductor 20 del montaje de terminal 200. El molde interior 300 contiene una serie de surcos de alineación radiales 38 dispuestos alrededor de su circunferencia exterior. Estos surcos pueden ser hilos de rosca o depresiones desconectadas, etc., y deben estar separadas lo suficiente para proporcionar un asiento para separar eléctricamente las hélices de la bobina preferente 14.

El molde interior preferente 300 puede ser fabricado utilizando procedimientos de moldeo por inyección. La cavidad 11 de paso de flujo se fabrica preferentemente utilizando una extracción de machos hidráulicamente activada de 31,75 cm de largo, creando con ello un elemento que tiene aproximadamente de entre 33,02 a 45,72 cm de longitud. El molde interior 300 puede ser llenado en un molde de metal que utilice un anillo regulador de los álabes situado opuesto a la brida 32. El tamaño deseable del grosor de pared escogido para la porción de elemento activo 10 es inferior a 1,27 cm, y preferentemente inferior a 0,254 cm, con una extensión preferente de alrededor de 0,1016 a 0,1524 cm, que se considera que es el límite inferior actual para el equipo de moldeo por inyección. Un par de ganchos o clavijas 45 y 55 están también moldeados a lo largo de la porción 10 de desarrollo del elemento activo entre hilos de rosca o depresiones consecutivas para proporcionar un punto terminal o de anclaje para las hélices de una o más bobinas. Extracciones de machos laterales y una extracción de macho terminal a través de la porción de brida pueden utilizarse para obtener la cavidad de termistor 39, la cavidad de circulación de flujo 11, las cavidades 31 y 35 de conductor y las aberturas de circulación de flujo 57 durante el moldeo por inyección.

A continuación se expondrá, con referencia a la Fig. 5, el montaje terminal preferente 200. El montaje terminal 200 comprende un cabezal terminal polimérico 28 diseñado para aceptar un par de conexiones terminales 23 y 24. Como se muestra en la Fig. 1, las conexiones terminales 23 y 24 pueden contener unos agujeros roscados 34 y 36 para aceptar un conector roscado, como por ejemplo un tornillo, para el montaje de los hilos eléctricos externos. Las conexiones terminales 23 y 24 son las porciones terminales del conductor terminal 20 y de la barra conductora 21 del termistor. La barra conductora 21 del termistor conecta eléctricamente la conexión terminal 24 con el terminal 27 del termistor. El otro terminal 29 del termistor está conectado a la barra conductora 18 del termistor que está diseñada para encajar dentro de la cavidad conductora 35 a lo largo de la porción inferior de la Fig. 4. Para completar el círculo, se proporciona un termistor 25. Opcionalmente, el termistor 25 puede sustituirse por un termostato, un TCO de estado sólido o simplemente una banda de puesta a tierra que esté conectada a un disyuntor exterior, o elemento similar. Se cree que la banda de puesta a tierra (no mostrada) podría ser situada cerca de una de las porciones terminales 16 o 12 para impedir los cortocircuitos durante la fusión del polímero.

En el entorno preferente, el termistor 25 es un termostato/termoprotector de acción rápida, como por ejemplo el Modelo W Series comercializado por Portage Electric. Este termoprotector tiene unas dimensiones compactas y es apropiado para cargas de 120/240 VCA. Comprende una construcción bimetálica conductora con una cubierta eléctricamente activa. El cabezal terminal 28 es preferentemente una pieza polimérica moldeada por separa-
do.

Después de fabricar el montaje terminal 200 y el molde interior 300, preferentemente son ensamblados antes del enrollamiento de la bobina divulgada 14 sobre los surcos de alineación 38 de la porción de elemento activo 10. Al hacerlo así, debe tenerse cuidado en proporcionar un circuito completo con las porciones terminales 12 y 16 de la bobina. Esto puede verificarse mediante sobresoldadura, soldeo con estaño y plomo o soldadura eléctrica por puntos de las porciones terminales 12 y 16 de la bobina al conductor terminal 20 y a la barra de conductor 18. Es también importante colocar adecuadamente la bobina 14 sobre el molde interior 300 antes de aplicar el revestimiento polimérico 30. De acuerdo con la invención, el revestimiento polimérico 30 es sobremoldeado para formar una unión polimérica termoplástica con el molde interior 300. Como en el molde interior 300, pueden introducirse extracciones de machos dentro del molde durante el procedimiento de moldeo para mantener abiertas las aberturas de paso de flujo 57 y la cavidad de paso de flujo 11.

Con respecto a las Figs. 6 y 7, en ellas se muestran formas de realización de hilo de resistencia simple y doble para los elementos calefactores poliméricos con resistencia de la presente invención. En la forma de realización de hilo único mostrada en la Fig. 6 los surcos de alineación 38 del molde interior 300 se utilizan para envolver un primer par de hilos con unas hélices 42 y 43 en forma de bobina. Dado que la forma de realización preferente incluye un hilo de resistencia plegado, la porción terminal del pliegue o término de hélice 44 es embutido plegándolo alrededor de la espiga 45. La espiga 45 es teóricamente parte de y es moldeada por inyección junto con el molde interior
300.

De modo similar puede proporcionarse una configuración de hilo de resistencia dual. En esta forma de realización, el primer par de hélices 42 y 43 del primer hilo de resistencia está separado del siguiente par consecutivo de hélices 46 y 47 del mismo hilo de resistencia mediante un terminal secundario 54 de hélice de la bobina y a continuación envuelto alrededor de una segunda clavija 55. Un segundo par de hélices 52 y 53 de un segundo hilo de resistencia, los cuales están eléctricamente conectadas al terminal secundario 54 de hélice de la bobina, son entonces enrollados alrededor del molde interior 300 a continuación de las hélices 46 y 47 del par adjunto siguiente de los surcos de alineación. Aunque el ensamblaje de bobina dual muestra pares alternantes de hélices para cada alambre, debe entenderse que las hélices pueden enrollarse en grupo de dos o más hélices para cada hilo de resistencia, o en números irregulares, y con formas de enrollamiento de acuerdo con lo deseado, siempre que sus bobinas conductoras permanezcan aisladas entre sí por el molde interno, o por otro material aislante, como por ejemplo revestimientos de plástico separados,
etc.

Las partes de plástico de la presente invención, como por ejemplo el revestimiento polimérico 30, el bastidor de soporte esqueleto 70 y el molde interior 300, preferentemente incluyen un polímero "de alta temperatura" que no se deformará de manera significativa o se fundirá a temperaturas del medio líquido de aproximadamente 48,9 a 82,2ºC y a temperaturas de la bobina de aproximadamente 232,2 a 343,3ºC. Los polímeros termoplásticos que tienen una temperatura de fusión mayor de 33,3ºC y preferentemente mayor que la temperatura de la bobina, son útiles para la presente invención. El material termoplástico preferente puede incluir: fluorocarbonos, poliarilsulfonas, poliamidas, bismaleimidas, polipatalamidas, acetonas de polietereter, sulfuros de polifenileno, sulfonas de poliéter, y mezclas y copolímeros de estos termoplásticos.

En la forma de realización preferente de la presente invención, el sulfuro de polifenileno ("PPS") es el de máxima preferencia debido a su elevada temperatura de servicio, bajo coste y mayor facilidad de tratamiento, especialmente durante el moldeo por inyección.

Los polímeros de la presente invención pueden contener hasta aproximadamente entre un 5 y un 60% en peso de refuerzo de fibras. Los termoplásticos y termostatos de refuerzo de fibras incrementan drásticamente la resistencia. Por ejemplo, unas fibras de vidrio cortas de aproximadamente una resistencia tensora de aumento de carga de 30% en peso de plástico de ingeniería por un factor de aproximadamente dos. Fibras preferentes incluyen vidrio cortado, como por ejemplo vidrio-E o vidrio-S, boro, aramida, como por ejemplo KEVLAR® 29 o 49, grafito y fibras de carbono incluyendo grafito con módulos de gran resistencia a la tracción. Otras fibras deseables incluyen fibras de benzobisoxozola de polifenileno (PBO) y benzobisoxozola de polifenileno (PBT) térmicamente tratadas y fibras de carbón/grafito con un 2% de tensión.

Estos polímeros se mezclan con aditivos para mejorar la conductividad térmica y las propiedades e liberación del molde. La conductividad térmica puede mejorarse con la adición de óxidos metálicos, nitruros, carbonatos o carburos (en adelante designados algunas veces como "aditivos cerámicos") y concentraciones bajas de carbono o grafito. Dichos aditivos pueden presentarse en forma de polvo, laminillas o fibras. Buenos ejemplos incluyen óxidos, carburos, carbonatos, y nitruros de estaño, cinc, cobre, molibdeno, calcio, titanio, circonio, boro, silicona, itrio, aluminio o magnesio, oro, mica, materiales cerámicos de vidrio o sílice fundido.

Las cargas de la matriz de polímero para estos materiales térmicamente conductores oscilan preferentemente entre aproximadamente 60 y 200 partes de aditivo por 100 partes de resina ("PPH"), y más preferentemente, de manera aproximada de 80 a 180 PPH. Estos aditivos son en general no eléctricamente conductores, aunque podrían utilizarse aditivos conductores, como por ejemplo fibras metálicas y laminillas en polvo, de metales como acero inoxidable, aluminio, cobre, o latón, y concentraciones más altas de carbono o grafito, si a continuación son sobremoldeados o revestidos, con una capa polimérica más eléctricamente aislada. Si se emplea un aditivo eléctricamente conductor, debe tenerse en cuenta aislar eléctricamente el núcleo para impedir el cortocircuito entre las
bobinas.

Es importante sin embargo, que los aditivos expuestos no se utilicen en exceso, puesto que una sobreabundancia de refuerzo de fibras o de aditivos metálicos o de óxidos metálicos se ha demostrado que van en perjuicio de las operaciones de moldeo. Cualquiera de los elementos poliméricos de la presente invención puede fabricarse con cualquier combinación de estos materiales, o puede utilizarse unos polímeros seleccionados con o sin aditivos para distintas partes de la presente invención dependiendo del destino final del elemento.

La presente invención específicamente contempla que puedan emplearse muchas combinaciones de resina polimérica, resina de vidrio y diferentes materiales de relleno térmicamente conductores en distintos porcentajes en los compuestos poliméricos para obtener unos valores deseables de conductividad térmica con destino a los elementos calefactores de diversos niveles de vatiaje. Además de los refuerzos y de los materiales de relleno térmicamente conductores, los compuestos plásticos de la presente invención pueden también contener aditivos de desmoldeo, modificadores por impacto, y estabilizadores termooxidativos que no solo potencian el rendimiento de las piezas de plástico y alargan la vida del elemento calefactor, sino que también ayudan en el proceso de moldeo.

Los compuestos referenciados en la Tabla 1 inferior fueron preparados mezclando sulfuro de polifenileno con cantidades fijas de óxido de aluminio, óxido de magnesio, fibra de vidrio cortada, de acuerdo con procedimientos bien conocidos en la técnica. Pellas de estos materiales fueron moldeadas por inyección para producir unas muestras de prueba ASTM de acuerdo con procedimientos ASTM para obtener datos acerca de la resistencia tensora, la resistencia flexural, el módulo flexural, y el impacto con entalla Izod mostrados en la tabla 1. Los valores de conductividad térmicos se obtuvieron de modo similar.

Se encontró que el Ejemplo comparativo 1 tenía una conductividad térmica demasiado bajo para ser útil en elementos de calefacción de agua. Cuando el material del ejemplo 8, el cual tenía la conductividad térmica más alta, fue sobremoldeado por inyección sobre un núcleo enrollado para formar el elemento calefactor de agua de la presente invención, se produjeron grietas y ruptura de grosores de pared por debajo de 0,0762 cm. Sin embargo, grosores de pared mayores de 0,0762 cm posibilitarán dichas cargas elevadas. Esto demuestra que la resistencia tensora y flexural, así como la resistencia al impacto, resultan influenciados de manera perjudicial por la adición de aditivos cerámicos en polvo, pero pueden utilizarse variaciones de diseño de los elementos y de las resinas para superar los efectos de las cargas elevadas.

Teóricamente la resistencia tensora del revestimiento polimérico debería ser de al menos aproximadamente 492 kg/cm^{2} y preferentemente alrededor de 527 a 703 kg/cm^{2} con tal de que se mantenga una conductividad térmica satisfactoria. El módulo flexural a temperaturas operativas debería ser al menos de alrededor de 35,150 kg/cm^{2}, y preferentemente mayor de 703,000 kg/cm^{2}.

Finalmente, de todos los materiales de la Tabla1 se encontró que aquellos materiales correspondientes a los Ejemplos 6 y 7 eran los más apropiados para los elementos calefactores de agua porque tenían el mejor equilibrio de las propiedades de conductividad estructural y térmica. Por supuesto, las cargas cerámicas de aproximadamente 60 a 200 PPH pretenden incrementar la conductividad térmica lo máximo posible sin interferir con las operaciones de moldeo. La conductividad térmica del revestimiento resultante debería ser al menos aproximadamente de 0,5 W/m K, preferentemente alrededor de 0,7 W/m K, e idealmente mayor de aproximadamente 1 W/m K.

Estas composiciones se presentan a modo de ejemplo, y no de forma limitativa. Sin embargo para una persona experta en la materia debe resultar claro que existen innumerables combinaciones de distintos materiales de relleno conductores con fibras de refuerzo en resinas que pueden también ser optimizadas para comportarse de manera apropiada en el dispositivo de la presente invención. Dichas combinaciones podrían incluir una resina LCP o PEEK con aditivos de nitruro de boro y vidrio cortado, por ejemplo, o, si el coste es un factor a tener en cuenta, una resina de PPS y unos aditivos de Al_{2}O_{3} o MgO, y vidrio cortado.

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(Tabla pasa a página siguiente)

100

El material de resistencia utilizado para conducir corriente eléctrica y generar calor en los calentadores de fluido de la presente invención preferentemente contiene un metal de resistencia que es eléctricamente conductor, y termorresistente. Un metal frecuentemente utilizado es una aleación de Ni-Cr aunque podrían ser apropiadas determinadas aleaciones de cobre, acero y acero inoxidable. Se prevé también la incorporación de polímeros conductores, con grafito, carbono o polvos metalizados o fibras, por ejemplo, utilizados como sustitutos del material de resistencia metálica, siempre que sean capaces de generar un calentamiento de la resistencia suficiente para calentar fluidos, como por ejemplo agua. Los restantes conductores eléctricos del calentador polimérico 100 de fluidos preferente pueden fabricarse también utilizando este material conductivo.

Como alternativa al molde interior preferente 300 de la presente invención, se ha demostrado que proporciona beneficios adicionales un bastidor esqueleto de soporte 70, mostrado en las Figs. 8 y 9. Cuando el molde interno sólido 300, como por ejemplo un tubo, se empleó en las operaciones de moldeo por inyección, a veces se produjo un llenado incorrecto debido a diseños de calentador que requerían unos grosores de pared delgados tan bajos como de 0,0635 cm, y unas longitudes excepciones de hasta 35,56 cm. El polímero térmicamente conductor también constituía un problema en el sentido de que si era deseable incluir aditivos, como por ejemplo fibra de vidrio y polvo cerámico, óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}) y óxido de magnesio (MgO), ello provocaba que el polímero fundido fuera extremadamente viscoso. Como resultado de ello, se necesitaban unas cantidades excesivas de presión para llenar adecuadamente el molde, y a veces, dicha presión provocaba que el molde se abriera.

Con el fin de reducir al mínimo la incidencia de dichos problemas, la presente invención contempla el empleo de un bastidor esqueleto de soporte 70 que tiene una pluralidad de aberturas y una abertura de soporte para retener el hilo 66 de resistencia de calentamiento. En una forma de realización preferente el bastidor esqueleto de soporte 70 incluye un miembro tubular que tiene aproximadamente de 6 a 8 acanaladuras longitudinales separadas 69 que discurren por la entera longitud del bastidor 70. Las acanaladuras 69 están sujetas entre sí por una serie de soportes anulares 60 longitudinalmente separados a lo largo de la extensión del miembro de forma tubular. Estos soportes anulares 60 tienen un grosor preferentemente menor de aproximadamente 0,127 cm de grosor, y más preferentemente de aproximadamente 0,0635 a 0,0762 cm de grosor. Las acanaladuras 69 tienen preferentemente una anchura de aproximadamente 0,3175 cm en la parte superior y preferentemente están ahusadas hasta culminar en una aleta puntiaguda 62 de transferencia térmica. Estas aletas 62 deben extenderse al menos aproximadamente 0,3175 cm más allá del diámetro interior del elemento final después de que el revestimiento polimérico 64 ha sido aplicado, y, en una extensión de 0,635 cm, para desarrollar la máxima conducción térmica dentro de los fluidos, como por ejemplo agua.

La superficie radical exterior de las acanaladuras 69 preferentemente incluye unos surcos que pueden recibir una alineación helicoidal doble del de resistencia de calentamiento 66 preferente.

Aunque la presente invención describe unas aletas 62 de transferencia térmica como parte del bastidor esqueleto de soporte 70, dichas aletas 62 pueden ser adaptadas como parte de los soportes anulares 60 o del revestimiento polimérico sobremoldeado 64, o de una pluralidad de estas superficies. De modo similar, las aletas 62 de transferencia térmica pueden incorporarse sobre la parte exterior de las acanaladuras 69 para penetrar más allá del revestimiento polimérico 64. Adicionalmente, la presente invención contempla la incorporación de una pluralidad de prominencias o depresiones irregulares o conformadas geométricamente a lo largo de la superficie interior o exterior de los elementos calefactores suministrados. Dichas superficies de transferencia térmica son conocidas para facilitar la retirada de calor de las superficies situadas dentro de los líquidos. Pueden disponerse de diversas maneras, incluyendo moldeándolas por inyección dentro de la superficie del revestimiento polimérico 64 o de las aletas 62, por mordentado, chorreado con arena, o trabajando mecánicamente las superficies exteriores de los elementos calefactores de la presente invención.

En una forma de realización preferente de la presente invención, el bastidor esqueleto de soporte 70 incluye una resina termoplástica, la cual puede ser uno de los polímeros de "alta temperatura" descritos en la presente memoria, como por ejemplo el sulfuro de polifenileno ("PPS"), con una pequeña cantidad de fibras de vidrio como soporte estructural, y opcionalmente polvo cerámico, como por ejemplo a1_{2}O_{3} o MgO para mejorar la conductividad térmica. Alternativamente, el bastidor esqueleto de soporte puede ser un miembro cerámico fundido, incluyendo uno o más entre el silicato de alúmina, Al_{2}O_{3}, MgO, grafito, ZrO_{2}, Si_{3}N_{4}, Y_{2}O_{3}, SiC, SiO_{2}, etc., o un polímero termoplástico o termoestable que sea diferente de los polímeros de "alta temperatura" que se propusieron para su utilización en el revestimiento 30. Si se utiliza un termoplástico para el bastidor esqueleto de soporte 70 debe tener una temperatura de deflexión del calor mayor que la temperatura del polímero fundido utilizado para moldear el revestimiento 30.

El bastidor esqueleto de soporte 70 es situado en una máquina de enrollamiento de hilo y el hilo de resistencia calefactora preferente 66 es replegado y enrollado en una configuración helicoidal doble alrededor del bastidor esqueleto de soporte 70 en la superficie de soporte preferente, esto es los surcos separados 68. El bastidor esqueleto de soporte 70 completamente enrollado es a continuación situado en el molde de inyección y a continuación es sobremoldeado con una de las fórmulas preferentes de resina polimérica de la presente invención. En una forma de realización preferente, solo una pequeña porción de la aleta 62 de transferencia de calor permanece expuesta al fluido de contacto, el resto del bastidor esqueleto de soporte 70 es cubierto con la resina moldeada sobre el interior y el exterior, si es de forma tubular. Esta porción expuesta es preferentemente inferior a aproximadamente el 10 por ciento del área superficial del bastidor esqueleto de soporte 70.

Las áreas abiertas en sección transversal, que constituyen la pluralidad de aberturas del bastidor esqueleto de soporte 70 permiten un fácil llenado y una mayor cobertura del hilo de resistencia de calentamiento 66 por la resina moldeada, reduciendo al mínimo al mismo tiempo la presencia de burbujas y de puntos calientes. En formas de realización preferentes, las áreas abiertas deben comprender al menos aproximadamente un 10 por ciento y, preferentemente más del 20 por ciento de la entera área superficial tubular del bastidor esqueleto de soporte 70, de forma que el polímero fundido pueda fluir más fácilmente alrededor del bastidor esqueleto de soporte 70 y del hilo de resistencia de calentamiento 66.

Un bastidor esqueleto de soporte alternativo 200 se ilustra en las Figs. 10 a 12. El bastidor esqueleto de soporte 200 incluye también una pluralidad de acanaladuras longitudinales 268 que presentan unos surcos separados 260 para recibir un hilo de resistencia de calentamiento envuelto (no mostrado). Las acanaladuras longitudinales 268 son mantenidas preferentemente sujetas entre sí con unos soportes anulares separados 266. Los soportes anulares separados 266 incluyen un diseño de "rueda de carro" que tiene una pluralidad de rayos 264 y un cubo 262. Esto proporciona un soporte estructural incrementado respecto del bastidor esqueleto de soporte 70, aunque sin interferir de manera sustancial con las operaciones de moldeo por inyección preferentes.

Alternativamente, los revestimientos poliméricos de la presente invención pueden ser aplicados sumergiendo los bastidores esqueleto de soporte divulgados 70 o 200 y el núcleo enrollado de hilo 10, por ejemplo, en un lecho fluidificado de polímero pellatizado o pulverizado, como por ejemplo PPS. En dicho procedimiento, el hilo de resistencia debe estar enrollado sobre la superficie esqueleto de soporte 70, y ser energizada para crear calor. Si se emplea PPS, debe generarse una temperatura de al menos aproximadamente 260ºC antes de sumergir el bastidor esqueleto de soporte dentro del lecho fluidificado de polímero pellatizado. El lecho fluidificado permitirá un íntimo contacto entre el polímero pellatizado y el hilo de resistencia calentado para proporcionar de manera sustancialmente uniforme un revestimiento polimérico que rodee por entero el hilo resistencia de calentamiento y sustancialmente rodee por entero el bastidor esqueleto de soporte. El elemento resultante puede incluir una estructura sólida, o tener un número sustancial de áreas abiertas en sección transversal, aunque se supone que el hilo de resistencia de calentamiento debe estar herméticamente aislado de contacto con el fluido. También se entiende que el bastidor esqueleto de soporte y el hilo de resistencia de calentamiento pueden ser precalentados como alternativa a la energización de la resistencia de alambre de calentamiento, para generar calor suficiente para fundir las pellas de polímero sobre su superficie. Este procedimiento puede también incluir un calentamiento de lecho postfluidificado para proporcionar un revestimiento más uniforme. Otras modificaciones del procedimiento se incluyen dentro de la técnica de la tecnología actual de los polímeros.

Los valores nominales estándar de los calentadores poliméricos de fluido preferentes de la presente invención utilizados en el calentamiento del agua es de 240 V y 450 W, aunque la longitud y el diámetro del hilo de las bobinas conductoras 14 puede modificarse para proporcionar unos niveles múltiples desde 1000 W hasta aproximadamente 6000 W, y preferentemente entre aproximadamente 1700 W y 4500 W. Para calefacción por gas, pueden utilizarse vatiajes inferiores de 100 a 1200 W. Pueden adaptarse capacidades de vatiaje dobles, e incluso triples mediante el empleo de bobinas múltiples o materiales de resistencia que terminen en porciones diferentes a lo largo de la porción de elemento activo 10.

De la exposición efectuada, puede desprenderse que la presente invención proporciona unos elementos calefactores de fluido para su uso en todo tipo de dispositivos calefactores de fluido, incluyendo calentadores de agua y calentadores de caldeo de locales rellenos de aceite. Los dispositivos preferentes de la presente invención son la mayoría poliméricos, para reducir la mínimo el gasto y para reducir sustancialmente la acción galvánica dentro de los tanques de almacenaje. En determinas formas de realización de la presente invención, los calentadores poliméricos de fluido pueden utilizarse en conjunción con un tanque de almacenaje polimérico para impedir totalmente la corrosión metálica iónica asociada.

Alternativamente, estos calentadores poliméricos de fluido pueden estar diseñados para ser utilizados separadamente como su propio depósito de almacenaje para almacenar simultáneamente y calentar gases o fluido. En dicha forma de realización, la cavidad 11 de flujo circulante puede ser moldeada en forma de tanque o pileta, y la bobina calefactora 14 podría estar contenida dentro de la pared del tanque o pileta y ser energizada para calentar un fluido o gas existente en el tanque o pileta. Los dispositivos calefactores de la presente invención podrían también utilizarse en calentadores de alimentos, calentadores de rulos, secadores de pelo, tenacillas para rizar el pelo, planchas para ropa, y calentadores recreativos utilizados en balnearios y piscinas.

La presente invención es también aplicable a calentadores de flujo circulante en los cuales se hace pasar un medio fluido a través de un tubo que incorpora una o más enrollamientos o materiales de resistencia de la presente invención. A medida que el medio fluido pasa a través del diámetro interior de un tubo del tipo indicado, se genera un calor en la resistencia a través de la pared polimérica del diámetro interior del tubo para calentar el gas o el líquido. Los calentadores de flujo circulante son útiles en secadores del pelo y calentadores de solicitud específica a menudo utilizados para calentar agua.

Aunque se han ilustrado diversas formas de realización, ello se ha efectuado con fines descriptivos y no limitativos de la invención.

Claims

1. Un elemento calefactor con resistencia eléctrica para calentar un medio fluido, que comprende:

: un cuerpo del elemento que tiene sobre éste una superficie de soporte, y

: un enrollamiento (14) de un hilo de resistencia enrollado sobre dicha superficie de soporte y conectado a al menos un par de porciones terminales (12, 16) de dicho elemento,

caracterizado porque

un revestimiento polimérico térmicamente conductor (30, 64) está dispuesto sobre el enrollamiento (14) y dicha superficie de soporte para encapsular herméticamente y aislar eléctricamente dicho enrollamiento (14) del medio fluido, en el que

-: la superficie de soporte es parte de un molde interior (300) hecho de un polímero termoplástico de alta temperatura,

-: comprendiendo dicho revestimiento polimérico (30, 64) un aditivo cerámico térmicamente conductor y no conductor eléctricamente y

-: es sobremoldeado para formar una unión termoplástica con dicha superficie de soporte de dicho molde interior (300).

2. El elemento calefactor de la reivindicación 1,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico (30, 64) tiene un valor de conductividad térmica de al menos aproximadamente 0,5 W/m ºK.

3. El elemento calefactor de la reivindicación 2,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico (30, 64) comprende una resina termoplástica que tiene un punto de fusión mayor de 93,3ºC.

4. El elemento calefactor de la reivindicación 3,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico (30, 64) comprende un refuerzo de fibras.

5. El elemento calefactor de la reivindicación 4,

caracterizado porque

dicho refuerzo de fibras comprende fibras de vidrio, boro, grafito, aramida o carbono.

6. El elemento calefactor de la reivindicación 1,

caracterizado porque

dicho aditivo cerámico comprende un nitruro, óxido o carburo.

7. El elemento calefactor de la reivindicación 6,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico (30, 64) comprende una carga de aproximadamente 60 a 200 partes de dicho aditivo cerámico por 100 partes del polímero en dicho revestimiento polimérico (30, 64).

8. El elemento calefactor de la reivindicación 7,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico (30, 64) es moldeado por inyección.

9. El elemento calefactor de la reivindicación 1,

caracterizado porque

dicho enrollamiento (14) es completamente encapsulado dentro de dicho revestimiento polimérico (30, 64) durante una operación de moldeo.

10. El elemento calefactor de una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

: está fijado a una pared de un tanque (13) de un calentador de agua para proporcionar un calentamiento con resistencia eléctrica a una porción del medio fluido dentro de dicho tanque y en el que dicho cuerpo del elemento tiene un bastidor de soporte (300),

: estando dicho enrollamiento (14) del hilo de resistencia enrollado sobre dicha superficie de soporte de dicho bastidor de soporte (300); y

: estando dicho revestimiento polimérico térmicamente conductor dispuesto sobre el enrollamiento del hilo de resistencia y una porción principal de dicho bastidor de soporte (300) para encapsular herméticamente y aislar eléctricamente dicho enrollamiento (14) del hilo de resistencia de dicho medio fluido, proporcionando dicho aditivo térmicamente conductor, no conductor eléctricamente de dicho revestimiento polimérico un valor de conductividad térmica de al menos aproximadamente 0,5 W/m ºK.

11. Un procedimiento de fabricación de un elemento calefactor con resistencia eléctrica para calentar un fluido, que comprende:

: el arrollamiento de un hilo de resistencia de calentamiento sobre un bastidor de soporte del elemento calefactor; y

: la aplicación de un revestimiento polimérico térmicamente conductor, no conductor eléctricamente sobre dicho hilo de resistencia de calentamiento y una porción sustancial de dicho bastidor de soporte para aislar eléctricamente y encapsular herméticamente dicho alambre del fluido, comprendiendo dicho revestimiento polimérico térmicamente conductor un aditivo cerámico térmicamente conductor, no conductor eléctricamente, y que tiene un valor de conductividad térmica de al menos aproximadamente 0,5 W/m ºK y constituyendo una unión termoplástica con dicho bastidor de soporte hecho de un polímero termoplástico de alta temperatura.

12. El procedimiento de la reivindicación 11,

caracterizado porque

dicha aplicación del revestimiento polimérico comprende el moldeo por inyección.

13. El procedimiento de la reivindicación 12,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico comprende aproximadamente de 60 a 200 partes de un aditivo cerámico por 100 partes del polímero en dicho revestimiento polimérico.

14. El procedimiento de la reivindicación 12,

caracterizado porque

dicho revestimiento polimérico comprende una resina termoplástica, un polvo cerámico, y fibras de vidrio cortadas.

15. El procedimiento de la reivindicación 14,

caracterizado porque

dicha resina termoplástica comprende sulfuro de polifenileno, y dicho valor de conductividad térmica es mayor de aproximadamente 0,7 W/m ºK.

\newpage

16. El procedimiento de la reivindicación 14,

caracterizado porque

dicha resina termoplástica comprende un polímero de cristal líquido.

17. El procedimiento de la reivindicación 11,

caracterizado porque

dicha aplicación del revestimiento polimérico comprende la inmersión de dicho alambre y de dicho bastidor de soporte dentro de un lecho fluidificado.