ITRM20080587A1 - Scambiatore di calore con protezione termica - Google Patents

Description

TITOLO: “Scambiatore di calore con protezione termicaâ€

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Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore per riscaldare fluidi, in particolare per il riscaldamento di acqua, per esempio nelle macchine da caffé, munito di protezione contro il surriscaldamento.

Stato della tecnica

Lo stato dell’arte in merito all’integrazione di dispositivi di protezione contro il surriscaldamento in elementi riscaldanti di acqua passante in un condotto e separata dalle resistenze scaldanti prevede varie soluzioni.

In una di queste soluzioni si ha un unico profilo ottenuto per estrusione, i due tubi laterali fungono da riscaldatori elettrici, nel tubo centrale à ̈ alloggiato un tubo di acciaio per il passaggio dell’acqua, oppure il passaggio di acqua o altro fluido può essere la cavità centrale stessa del profilato estruso.

Una seconda soluzione à ̈ costituita da due tubi solidali piegati a U, il tubo esterno à ̈ di passaggio dell’acqua, quello interno contiene il riscaldatore elettrico.

I dispositivi di protezione contro il surriscaldamento di questi tipi di scambiatori sono normalmente alloggiati su una staffa metallica di materiale avente un’elevata conducibilità termica (es. alluminio) la quale à ̈ preventivamente fissata all’elemento riscaldante mediante saldatura ad arco o brasatura.

La staffa metallica che porta la protezione contro il surriscaldamento à ̈ posizionata opportunamente per consentire l’efficacia di trasmissione del segnale termico. Normalmente essa à ̈ solidale al tubo di passaggio del fluido.

Tale disposizione della protezione contro il surriscaldamento non à ̈ esente da possibili falsi contatti elettrici e/o termici in funzione della bontà della saldatura della staffa metallica o del montaggio della protezione stessa sulla staffa. Tale problematica falsa le condizioni di intervento del dispositivo in caso di funzionamento anomalo del riscaldatore elettrico.

Gli scambiatori così assiemati rendono complesso il collegamento elettrico, per cui à ̈ necessario l’uso di un certo numero di cablaggi che incidono sul costo finale del sistema riscaldante insieme alla stessa staffa metallica e alle protezioni termiche (normalmente costituite da termostato e termofusibile alloggiati in un preformato ceramico con fondo metallico che si affaccia sulla staffa).

E’ nota anche una soluzione di integrazione di scambiatore con protezione contro il surriscaldamento diversa dalle precedenti come descritta nel documento brevettuale WO0152601. In questa soluzione il connettore interno sul quale à ̈ saldato il filo resistivo del riscaldatore elettrico, à ̈ coniato sul reoforo della protezione termica e la stessa à ̈ alloggiata in un recesso della rondella isolante che chiude il riscaldatore elettrico. La protezione termica à ̈ montata in sede di assiemaggio del riscaldatore.

Le problematiche connesse a questo tipo di integrazione della protezione contro il surriscaldamento riguardano soprattutto lo sviluppo dimensionale del riscaldatore stesso, con incidenza sul costo e sull’ingombro finale dell’oggetto. La protezione contro il surriscaldamento infatti deve essere opportunamente distanziata dal filo resistivo in modo da non intervenire prematuramente o subire un invecchiamento termico nel corso della vita operativa che ne pregiudicherebbe l’intervento. Questo fa sì che il riscaldatore debba avere uno sviluppo longitudinale maggiore con maggiore costo di materiali e difficoltà di alloggiamento nei dispositivi di utilizzo, tipo macchine da caffé, che hanno solitamente necessità di ingombri compatti. Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire uno scambiatore di calore con protezione contro il surriscaldamento che risolva il suddetto problema.

E’ oggetto della presente invenzione uno scambiatore di calore per il riscaldamento di fluidi che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende una struttura tubolare, mezzi di protezione contro il surriscaldamento dello scambiatore di calore disposti esternamente alla struttura tubolare, almeno una resistenza elettrica disposta all’interno della struttura tubolare atta a produrre calore, mezzi di fissaggio attaccati solidalmente ad una estremità della resistenza elettrica e costituenti collegamento elettrico con mezzi di alimentazione elettrica, un elemento d’isolamento disposto tra la struttura tubolare e i mezzi di protezione contro il surriscaldamento, un elemento di collegamento tra la resistenza elettrica e i mezzi di protezione contro il surriscaldamento, in cui l’elemento di collegamento conduce elettricamente ed à ̈ in presa solidale con i mezzi di fissaggio.

Lo scambiatore di calore per il riscaldamento di fluidi dell'invenzione à ̈ tipicamente a flusso, con i mezzi di protezione contro il surriscaldamento integrati ad almeno una delle sue estremità atte al collegamento elettrico detta protezione termica o termofusibile à ̈ innestata meccanicamente su un connettore opportunamente dimensionato, il quale a sua volta à ̈ innestato su un collegamento elettrico intermedio inglobato nella rondella d’isolamento elettrico e sul quale à ̈ coniato il connettore interno che porta il filo resistivo saldato.

Una siffatta integrazione dei mezzi di protezione contro il surriscaldamento garantisce maggiore sensibilità termica della protezione stessa in caso di funzionamento anomalo del riscaldatore elettrico, non essendo la protezione stessa a contatto con altro elemento, se non con il connettore che conduce al filo resistivo scaldante. In caso di funzionamento anomalo dunque e di temperatura che supera quella massima di funzionamento non ci sono altri componenti a contatto con esso che dissipino il calore, quali per es. una rondella isolante di dispositivi noti e la suscettibilità del dispositivo ne risulta migliorata.

Un altro vantaggio dell'invenzione à ̈ che la protezione contro il surriscaldamento può essere collegata al cablaggio elettrico e innestata in un secondo momento, per esempio dopo la produzione del riscaldatore, nell’apposito connettore. In questo modo la connessione elettrica e quella termica sono simultanee e inoltre il dispositivo di protezione contro il surriscaldamento non subisce alcuna delle sollecitazioni meccaniche, associabili ad un normale processo di produzione, che potrebbero comprometterne l’integrità meccanica e quindi elettrica dello scambiatore. Nel complesso l’integrazione dei mezzi di protezione contro il surriscaldamento nello scambiatore risulta semplificato rispetto alle soluzioni note, sia a livello operativo (innesto meccanico a basso sforzo), sia a livello di numero di componenti e/o di cablaggi coinvolti.

Tale tipologia di integrazione di mezzi di protezione contro il surriscaldamento inoltre, in tutte le varianti descritte, garantisce un migliore sfruttamento dello sviluppo disponibile per l'alloggiamento della parte cosiddetta calda, ovvero quella in corrispondenza del filo resistivo.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di uno scambiatore di calore, illustrate a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista laterale parziale della sezione longitudinale secondo il piano S-S di figura 4 di uno scambiatore di calore in una prima variante secondo l'invenzione;

Fig. 2 rappresenta una vista laterale parziale della sezione longitudinale della sezione longitudinale secondo il piano S-S di figura 4 di uno scambiatore di calore in una seconda variante secondo l'invenzione;

Fig. 3 rappresenta una vista laterale parziale della sezione longitudinale secondo il piano S-S di figura 4 di uno scambiatore di calore in una terza variante secondo l'invenzione;

Fig. 4 rappresenta viste in sezione trasversale all’asse longitudinale di due varianti alternative dello scambiatore dell’invenzione.

Nelle diverse figure gli stessi elementi costitutivi sono indicati con gli stessi numeri di riferimento.

Descrizione in dettaglio di forme di realizzazione preferite dell’invenzione

Con particolare riferimento alle figura 1 che illustra una prima forma di realizzazione dell’invenzione, lo scambiatore di calore 8 comprende un tubo esterno 7, costituito preferibilmente in alluminio o sue leghe, che può corrispondere ad una delle cavità di un unico profilato estruso comprendente due o più cavità di cui almeno uno costituisce il passaggio del fluido da scaldare, mentre una o più delle cavità alloggia il riscaldatore. Esempi di realizzazione diversi, non limitativi nel numero di cavità o condotti, visti in sezione sono illustrati in fig. 4. All’interno di tale tubo 7, centrato longitudinalmente, à ̈ disposto il filo resistivo 5 riscaldante, avvolto a spirale. Il filo resistivo riscaldante 5 e il tubo esterno 7 sono elettricamente distanziati da un riempitivo 9 elettricamante isolante con ottime proprietà di conduzione termica, come per es. l’ossido di magnesio, di tipo noto. Il filo 5 à ̈ saldato sul connettore interno 4 anch’esso inglobato in suddetto riempitivo. Il connettore interno 4 a sua volta à ̈ collegato, per es.

mediante coniatura, al perno di collegamento elettrico 3 alloggiato all’interno della rondella isolante 6. Tale rondella isolante à ̈ opportunamente sagomata al suo interno in modo da dare riferimento in battuta al perno 3.

Durante la fabbricazione dello scambiatore, l’assieme preassemblato del filo 5, connettore 4, perno 3 e rondella 6 à ̈ inserito, in fase di riempitura, all’interno del tubo 7 con l’ossido di magnesio a una o entrambe le estremità dello scambiatore 8 dove à ̈ previsto il collegamento elettrico con l’alimentazione esterna.

Successivamente il secondo connettore 2, vantaggiosamente a forma di morsetto a serraggio elastico, viene innestato sul perno 3 con basso sforzo meccanico e il connettore (2) à ̈ così pronto per l’alloggiamento dei mezzi di protezione contro il surriscaldamento, tipicamente un termofusibile 1, ma anche altri mezzi equivalenti possono essere utilizzati, tal quale o già preassemblati al cablaggio. In alternativa, a seconda delle esigenze di fabbricazione tale alloggiamento del termofusibile può avvenire in altro momento o altra sede.

Una seconda forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo l’invenzione à ̈ illustrata in dettaglio nella Fig. 2. Il riscaldatore 8 comprende un tubo 7, costituito preferibilmente in alluminio o sue leghe che può essere una delle cavità di un unico profilato estruso in cui vi sono due o più cavità o condotti longitudinali come nella prima forma di realizzazione descritta sopra. All’interno del tubo centrato longitudinalmente à ̈ disposto il filo resistivo 5 riscaldante avvolto a spirale. Il filo riscaldante 5 e il tubo esterno 7 sono elettricamente distanziati dall’ossido di magnesio 9. Il filo resistivo 5 à ̈ saldato sul connettore interno 4 anch’esso inglobato in suddetto riempitivo. Il connettore interno 4 a sua volta à ̈ collegato mediante coniatura ad una prima porzione di estremità 20c, quella di destra secondo l’orientamento della figura, del secondo connettore 20. Il secondo connettore 20 à ̈ opportunamente conformato in tre porzioni, due porzioni terminali 20a e 20c e una porzione centrale 20b. La porzione terminale 20a à ̈ costituita vantaggiosamente a forma di morsetto a serraggio elastico, grazie alla presenza della fessura longitudinale 11 interrompente la parete, in modo da fornire un alloggiamento esterno ai mezzi di protezione contro il surriscaldamento, tipicamente il termofusibile 1. La porzione centrale 20b attraversa la rondella isolante 6a ed à ̈ costituita come un tubo cavo con una fessura longitudinale 12. Se necessario anche la porzione terminale 20c può disporre della fessura 13 per migliorare l’effetto di serraggio con il connettore 4.

Anche in questa forma di realizzazione, la fabbricazione si effettua inserendo l’assieme preassemblato del filo 5, connettore 4, secondo connettore 20 e rondella 6a in fase di riempitura del tubo 7 con l’ossido di magnesio, all’interno di questo tubo 7, a una o entrambe le estremità di collegamento elettrico del riscaldatore 8 dove à ̈ previsto il collegamento elettrico con l’alimentazione esterna.

Successivamente può essere alloggiato il termofusibile 1, per inserimento a pressione tal quale o già precollegato al cablaggio.

La figura 3 illustra una terza variante di realizzazione dello scambiatore 8, secondo l’invenzione. Anche in questa variante, in sezione, lo scambiatore può avere le forme di realizzazione della figura 4.

Lo scambiatore 8 comprende un tubo 7 preferibilmente in alluminio o sue leghe che può costituire una delle cavità di un unico profilato estruso. All’interno di tale tubo centrato longitudinalmente à ̈ disposto il filo resistivo 5 riscaldante avvolto a spirale. Il filo 5 e il tubo esterno 7 sono elettricamente distanziati dall’ossido di magnesio. Il filo 5 à ̈ saldato sul connettore interno 4 anch’esso inglobato in suddetto riempitivo. Il connettore interno 4 a sua volta à ̈ collegato mediante coniatura al reoforo 1a della protezione termica 1. Anche per questa variante, l’assemblaggio dello scambiatore 8 avviene con le stesse modalità descritte per le due varianti precedenti.

In tutte le varianti i materiali scelti per gli elementi sopra descritti e costituenti il collegamento tra il filo elettrico 5 e i mezzi di protezione contro il riscaldamento hanno caratteristiche di elevata conducibilità elettrica per ridurre al minimo le perdite per resistenza.

Da quanto descritto, sono chiari i vantaggi derivanti dall’applicazione della presente invenzione:

- maggiore sensibilità termica dei mezzi di protezione contro il surriscaldamento, - semplificazione dell’integrazione stessa della protezione contro il surriscaldamento in termini di modalità operativa,

- semplificazione nei collegamenti elettrici con riduzione dei cablaggi e del numero complessivo di componenti costitutivi dello scambiatore,

- possibilità di riduzione costi dello scambiatore nel suo complesso - miglioramento nei collegamenti elettrici e termici rispetto alle soluzioni dello stato dell’arte, in termini di sicurezza e garanzia di contatto.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (8) per il riscaldamento di fluidi comprendente una struttura tubolare (7), mezzi di protezione (1) contro il surriscaldamento dello scambiatore di calore (8) disposti esternamente alla struttura tubolare, almeno una resistenza elettrica (5) disposta all’interno della struttura tubolare (7) atta a produrre calore, mezzi di fissaggio (4) attaccati solidalmente ad una estremità della resistenza elettrica (5) e costituenti collegamento elettrico con mezzi di alimentazione elettrica, un elemento d’isolamento (6, 6a) disposto tra la struttura tubolare (7) e i mezzi di protezione (1) contro il surriscaldamento, un elemento di collegamento (1a, 2, 20) tra la resistenza elettrica (5) e i mezzi di protezione (1) contro il surriscaldamento, in cui l’elemento di collegamento (1a, 2, 20) conduce elettricamente ed à ̈ in presa solidale con i mezzi di fissaggio (4).
2. 2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di protezione contro il surriscaldamento sono un termofusibile (1).
3. 3. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, in cui l’elemento di collegamento (1a) à ̈ un reoforo integrale al termofusibile (1).
4. 4. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, in cui l’elemento di collegamento (2, 20) à ̈ un elemento cilindrico cavo (2, 20) innestato meccanicamente intorno al termofusibile (1).
5. 5. Scambiatore secondo la rivendicazione 4, in cui l’ elemento cilindrico cavo (2, 20) ha una parete sottile con ha una fessura longitudinale (11, 12) interrompente la parete così da produrre una forza di espansione o contrazione elastica radiale atta al fissaggio col termofusibile.
6. 6. Scambiatore secondo la rivendicazione 4, in cui mezzi di fissaggio (4) sono fissati ad una estremità dei mezzi di protezione (1) mediante coniatura, 7. Scambiatore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura tubolare (
7. 7) à ̈ un profilato estruso comprendente almeno un tubo per il passaggio del fluido da scaldare e almeno un tubo in cui à ̈ inserita la almeno una resistenza elettrica (5).