NL1014620C2 - Verwarmingselement en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

VERWARMINGSELEMENT EN WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN DAARVAN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verwarmingselement en een werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

Uit de stand van de techniek bekende 5 verwarmingselementen zijn weerstandselementen bestaande uit een weerstandsdraad voorzien van een isolatiemantel, waarover een spanningsverschil wordt aangelegd teneinde warmte op te wekken. Weerstandselementen hebben als bezwaar dat zij niet zodanig vervormd kunnen worden, dat 10 een gekromd oppervlak met goed thermisch contact gevolgd kan worden. Verder is de beheersing voor het teweegbrengen van een egale temperatuur of temperatuurs-verdeling beperkt.

Andere uit de stand van de techniek bekende 15 verwarmingselementen zijn oppervlakte verwarmingselementen bestaande uit een draagfolie waarop een metaalfolie is verlijmd, waarbij met etstechnieken sporen in de metaalfolie worden aangebracht. Hoewel deze laminaatstructuren relatief dun zijn en een te verwarmen 20 oppervlak beter kunnen volgen dan gebruikelijke weerstandselementen, is de toepassing daarvan toch beperkt. Aangezien het metaalfolie niet mee kan rekken, kan een dergelijk oppervlakte weerstandselement namelijk geen sterk dubbelgekromd oppervlak volgen. Een andere 25 bezwaar van oppervlakte verwarmingselementen is dat het chemische proces, dat wordt gebruikt voor het etsen, milieubelastend is. Een verder bezwaar is dat, als gevolg van het vervaardigingsproces, de oppervlakte verwarmingselementen economisch onvoordelig zijn. Verder doen bij 30 hoge temperaturen zich problemen voor met de hechting van de folies en de folies zelf. Tenslotte is de vermogens-dichtheid van dergelijke oppervlakte weerstandselementen, en derhalve de lokaal te bereiken temperatuur, beperkt.

10 1 96 2 0 2

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verwarmingselement, waarbij bovengenoemde bezwaren zijn ondervangen.

Volgens de uitvinding omvat het verwarmings-5 element een drager van elektrisch isolerend materiaal en een laag met een open structuur, die in een bepaald patroon en door middel van hechtmiddel aan de elektrisch isolerende drager is bevestigd, waarbij de laag is vervaardigd van een elektrisch geleidend materiaal met 10 een vooraf bepaalde specifieke weerstand, een en ander zodanig dat warmte in de laag wordt opgewekt wanneer een spanningsverschil daarover wordt aangelegd. De elektrische laag wordt in een stroomkring opgenomen, waarbij door de weerstand van de laag warmte wordt 15 geproduceerd. Deze warmte wordt via het hechtmiddel en de elektrisch isolerende drager aan het te verwarmen object of medium overgedragen.

De elektrisch geleidende laag bestaat bij voorkeur uit een of meer stroken elektrisch geleidend 20 materiaal, waarbij de strook of stroken in een zigzag-, spiraal- of meandervormig patroon is resp. zijn aangebracht, en is bij voorkeur een weefsel. Door geschikte keuze van materiaal, draaddikte, dichtheid en strookbreedte van het weefsel kan de gewenste weerstand 25 worden verkregen.

Het weefsel kan zijn vervaardigd van draden van een metaal(legering), zoals roestvaststaal, ijzer, wolfraam of konstantaan, of van een hybride materiaal, zoals keramiek of kunststof, dat soortgelijke elektrische 30 eigenschappen vertoont.

Bij voorkeur wordt voor de elektrisch isolerende drager een weefsel van dunne glasvezels gebruikt. De glasvezels hebben een zodanige dikte dat de gewenste flexibiliteit en warmtegeleiding wordt verkregen 35 bij behoud van elektrische isolatie. Het gehele verwarmingselement is hierdoor een flexibel element dat de contouren van het te verwarmen object kan volgen, zodat I0*1*6 2,n 3 door innig contact met het oppervlak van het object goede warmteoverdracht kan plaatsvinden.

Volgens de gunstige verdere ontwikkeling wordt de maatregel van conclusie 9 toegepast. Doordat het 5 verwarmingselement zelf een geringe warmte-inhoud zal hebben en bovendien, door het goede contact met het te verwarmen voorwerp een goede warmteoverdracht daarmee zal vertonen, zal na het uitschakelen van de stroombron, het verwarmingselement zelf zeer snel de temperatuur van het 10 te verwarmen voorwerp aannemen. Op een op zichzelf voor de hand liggende wijze kan de relatie tussen de weerstand en de temperatuur van het verwarmingselement worden vastgesteld. De verwerkingsinrichting is daarbij zodanig uitgevoerd dat deze de weerstand van het verwarmings-15 element in de uitgeschakelde toestand kan bepalen en, door toepassing van de eerder gevonden relatie, daaruit de heersende temperatuur kan berekenen.

Daarnaast heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een verwarmings-20 element volgens conclusie 10.

De laag kan eerst met hechtmiddel worden geïmpregneerd, alvorens een bepaald patroon daarvan wordt gevormd. Dit is met name een voordeel bij het vormen van bepaalde patronen, zoals een spiraal- of meandervormig 25 patroon. De laag laat zich in geïmpregneerde toestand beter tot een patroon snijden of op een ander manier bewerken.

Een patroon kan met behulp van laser uit een weefsel worden gesneden, waarbij ingewikkelde en aan de 30 gewenste verdeling van warmte over het oppervlak aangepaste patronen kunnen worden gevormd.

Door de laag en de drager onder een conditie van verminderde druk aan elkaar te bevestigen met hechtmiddel worden luchtinsluitingen voorkomen.

35 De uitvinding wordt nu nader toegelicht onder verwijzing naar de tekeningen. In de tekeningen toont:

Figuur 1 een deel van een verwarmingselement volgens de onderhavige uitvinding, 101 $6 20 4

Figuur 2 een doorsnede volgens lijn II-II in figuur 1,

Figuur 3 een inrichting voor het uitvoeren van een werkwijze voor het vervaardigen van een verwarmings-5 element,

Figuur 4 een andere uitvoeringsvorm van een verwarmingselement,

Figuur 5 een afbeelding ter verduidelijking van een werkwijze voor het vervaardigen van een verwarmings-10 element, zoals getoond in figuur 4,

Figuur 6-11 toepassingen van een verwarmingselement volgens de onderhavige uitvinding.

In figuur 1 wordt een deel van een verwarmingselement volgens de uitvinding getoond. Het verwarmings-15 element omvat een drager van elektrisch isolerend materiaal 1 en een laag met een open structuur 2, die in een bepaald patroon en door middel van hechtmiddel 2 aan de elektrisch isolerende drager 1 is bevestigd. De laag is vervaardigd van een elektrisch geleidend materiaal met 20 een vooraf bepaalde specifieke weerstand met als doel warmte in de laag op te wekken wanneer een spanningsverschil over de laag wordt aangelegd. De laag 2 bestaat uit verscheidene stroken, die zijn aangebracht in een zigzagpatroon. De laag 2 is bijvoorbeeld gevormd van een 25 weefsel van metaaldraad. De drager 1 is bij voorbeeld gevormd van een weefsel van glasvezels. Andere materialen met overeenkomstige eigenschappen voor het beoogde effect kunnen natuurlijk worden toegepast.

Met behulp van figuur 3 zal hieronder een 30 mogelijke werkwijze voor het vervaardigen van een verwarmingselement worden uitgelegd. Allereerst wordt de stroken 2 zigzagsgewijs op de drager 1 geplaatst. Vervolgens wordt althans op de stroken 2 een hechtmiddel 3 aangebracht. Het geheel is in een bak geplaatst om 35 samen met het deksel 5 een gesloten behuizing te vormen, zodat het hechtmiddel 3 onder een conditie van verminderde druk (vacuüm) de stroken aan de drager bevestigd. Door de stroken 2 en de drager 1 onder vacuüm 101*620 5 met elkaar te verlijmen, wordt ervoor gezorgd dat luchtinsluitingen verdwijnen. Luchtinsluitingen zijn een belemmering voor warmteafgifte.

Het deksel 5 is aan de onderzijde voorzien van 5 ribben 6 om de stroken 2 stevig tegen de drager 1 aan te drukken tijdens het verlijmen. Tegelijkertijd wordt warmte toegevoegd aan het hechtmiddel 3 om dit week te maken en ervoor te zorgen dat de openingen in het weefsel van de stroken 2 en van de drager 1 volledig worden 10 gevuld met hechtmiddel 3.

In figuur 4 is een verwarmingselement getoond, waarbij de laag 2 in een spiraalvormig patroon tussen twee elektrisch isolerende dragers l is bevestigd. De laag 2 bevat twee aansluiteinden 7 waarover een 15 spanningsverschil kan worden aangelegd. Een dergelijk verwarmingselement vindt bijvoorbeeld toepassing in een waterkoker. Het verwarmingselement kan op de bodem van een waterkoker worden aangebracht en via aansluiteinden 7 met het elektrische regelcircuit van de waterkoker worden 20 verbonden. Wanneer het in figuur 4 getoonde verwarmingselement een diameter van 10 cm heeft, kan bij een vermogen van 3 kW een vermogensdichtheid in orde van grootte van 30 W/cm2 worden verkregen.

Het in figuur 4 getoonde verwarmingselement kan 25 als volgt worden vervaardigd. Het weefsel 9, waaruit het patroon van de laag 2 moet worden gevormd, wordt eerst geïmpregneerd met een hechtmiddel. Vervolgens wordt met laser 8 een spiraalvormig patroon uit het weefsel 9 gesneden. Tenslotte wordt de spiraalvormige laag 2 op een 30 weefsel van glasvezels als elektrisch isolerende drager geplaatst en daarmee verlijmd. Met behulp van de laser 8 is een zodanige afstand tussen de spiralen verkregen, dat geen vonkoverslag tussen de spiralen plaatsvindt.

Het verwarmingselement kan bijvoorbeeld worden 35 toéërep^sfc· als autostoelverwarming, zoals getoond in figuur 6, waarbij de elektrisch geleidende laag van het verwarmingselement een in gestreepte lijnen weergegeven meanderpatroon heeft. Het element heeft de vereiste 1 0 1 $6 2 0 6 flexibiliteit loodrecht op de zitting van de stoel, sterkte in het vlak van de zitting van de stoel en kan over het gehele oppervlak van de stoel worden verdeeld. Naast stoelverwarming voor auto's, is ook verwarming van 5 de zitting van een motorfiets (zie figuur 8) of fiets mogelijk.

Een andere toepassing is voor het verwarmen van water in een boiler (figuur 7) of in een buis (figuur 9), die bijvoorbeeld naar een wasmachine of zonne-energie 10 systeem loopt. Door het verwarmingselement spiraalvormig rond een pijp te wikkelen en daarmee te verlijmen, welke pijp wordt doorstroomd door water, is een zeer eenvoudig en goedkoop systeem voor het verwarmen van water verkregen. De strook of stroken zelf kunnen daarbij als 15 sensor worden gebruikt om de uitgaande temperatuur van het water te regelen.

Figuren 10 toont in perspectivisch aanzicht toepassing van het verwarmingselement bij een zonne-energiesysteem 100. Dit zonne-energiesysteem 100 heeft 20 een holle collector 101 waarop de zonnestraling invalt en waarin een warmtetransportmedium is aangebracht. Door de invallende zonnestraling zal het warmtetransportmedium in de collector 101 verdampen en in de collector 101 omhoog stijgen en aan de bovenzijde via pijpen 102 door een 25 warmtewisselaar gedwongen worden, waar het warmtetransportmedium weer condenseert.

De warmtewisselaar bestaat uit warmteopslagvat bestaande uit langwerpige elementen 103 en tussen deze elementen geplaatste langwerpige platte kanaalplaten 104, 30 waardoorheen het warmtetransportmedium loopt. Het gecondenseerde warmtetransportmedium stroomt vanuit de warmtewisselaar verder via pijpen 105 naar de onderzijde van de collector 101.

Het zonne-energiesysteem 100 heeft verder een 35 behuizing, die bestaat uit een transparante bovenzijde 106 gevormd van een sandwichpaneel, bijvoorbeeld van polycarbonaat, en een bakvormige onderzijde 107. Het zonne-energiesysteem 100 wordt met de behuizing 106,107 1 n 1 2.R ? n 7 direct op het dakbeschot 108 geplaatst. Om een goede afdichting te waarborgen tussen de behuizing 106, 107 en de dakpannen 109, die op het dakbeschot liggen, heeft de behuizing verder nog een schortdeel 110, dat door 5 verhitting aangepast kan worden aan de vorm van de dakpannen 109 (zie ook figuur 11). Het schortdeel 110 is verschuifbaar met de behuizing 106,107 gekoppeld, zodat wanneer de behuizing 106,107 door verwarming als gevolg van zonnestraling uitzet het schortdeel 110 ten opzichte 10 van de behuizing 106,107 kan verschuiven, waardoor scheurvorming voorkomen wordt.

In het opslagvat 103 is water opgeslagen, dat door warmte-uitwisseling met het warmtetransportmedium opgewarmd wordt. Om warmteverlies via het dakbeschot 108 15 te voorkomen, is de behuizing 106,107 verder gevuld met een samengestelde isolatiestructuur 111 (zie ook figuur 11) .

Op een deel van de langwerpige elementen 103 is het verwarmingselement 112 volgens de onderhavige 20 uitvinding aangebracht, dat bij een tekort aan warmtestraling bijdraagt aan de verwarming van het water in de langwerpige elementen 103.

1 0 1 $6 2 0

Claims (17)

1. Verwarmingselement omvattende een drager van elektrisch isolerend materiaal en een laag met een open structuur, die in een bepaald patroon en door middel van hechtmiddel aan de elektrisch isolerende drager is 5 bevestigd, waarbij de laag is vervaardigd van een elektrisch geleidend materiaal met een vooraf bepaalde specifieke weerstand, een en ander zodanig dat warmte in de laag wordt opgewekt wanneer een spanningsverschil daarover wordt aangelegd.

2. Verwarmingselement volgens conclusie 1, waarbij de laag omvat een of meer stroken elektrisch geleidend materiaal.

3. Verwarmingselement volgens conclusie 2, waarbij het patroon een zigzag-, spiraal- of 15 meandervormig patroon is.

4. Verwarmingselement volgens een van de conclusies 1-4, waarbij de laag een weefsel is.

5. Verwarmingselement volgens conclusie 4, waarbij het weefsel een weefsel van draden van een 20 metaal(legering), zoals roestvaststaal, ijzer, wolfraam of konstantaan, is.

6. Verwarmingselement volgens conclusie 4, waarbij het weefsel een weefsel van draden van een hybride materiaal, zoals kunststof of keramiek, is.

7. Verwarmingselement volgens een van de conclusies 1-6, waarbij de drager een weefsel van dunne glasvezels is.

8. Verwarmingselement volgens een van de conclusies 1-7, waarbij het hechtmiddel een lijm, zoals 30 siliconen-, epoxy,- of pölyurethaanlijm, is.

9. Verwarmingsinrichting omvattende een verwarmingselement volgens een van de voorgaande conclusies en een temperatuurmeetinrichting, die omvat een temperatuursensor en een daarmee verbonden 35 verwerkingsinrichting, waarbij de temperatuursensor door het verwarmingselement wordt gevormd. 1013)6 20

10. Zonne-energie systeem, omvattende: - een behuizing omvattende een aan een bovenzijde aangebracht zonnestraling doorlatend deel; - een in de behuizing aangebrachte collector, die 5 een gehelde, via het doorlatende deel aan zonnestraling blootgestelde ruimte omvat, welke ruimte doorstroombaar is door een warmtetransportmedium, dat in een eerste omloop stroomt en gekoppeld is met een tweede medium circuit, waarbij de eerste omloop plaatsvindt in een 10 gedeeltelijk met vloeistof en gedeeltelijk met damp daarvan gevuld circulatievat, dat werkzaam is als een circulatiesysteem, dat gedreven wordt door natuurlijke convectie van gescheiden verdamping en condensatie; - een in het tweede medium circuit aangebracht 15 warmte opslagvat, dat thermisch gekoppeld is met een wand van het circulatievat, nabij een deel van de eerste omloop, dat neerwaarts gericht is; en in de behuizing aangebrachte isolatie, met het kenmerk, dat aan het warmteopslagvat een verwarmings- 20 element volgens één van de voorgaande conclusies is aangebracht.

11. Werkwijze voor het vervaardigen van een verwarmingselement volgens een van de conclusies 1-8, waarbij de elektrisch geleidende laag met een open 25 structuur in een bepaald patroon wordt gebracht, vervolgens op een elektrisch isolerende drager wordt geplaatst en tenslotte daaraan, onder beheersing Van de heersende druk, door middel van een hechtmiddel wordt bevestigd.

12. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij de laag eerst met een hechtmiddel wordt geïmpregneerd alvorens de laag in een bepaald patroon wordt gebracht.

13. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, waarbij de laag in een bepaald patroon wordt gebracht 35 door een of meer stroken uit een weefsel te snijden.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij het weefsel met behulp van laser wordt gesneden.

15. Werkwijze volgens een van de conclusies 1 0 1 06 2 0 « 10-13, waarbij de laag en de drager onder een conditie van verminderde druk aan elkaar worden bevestigd.

16. Werkwijze volgens een van de conclusies 10-14, waarbij de laag en de drager door toevoeging van 5 warmte aan elkaar worden bevestigd.

17. Werkwijze volgens een van de conclusies 10-15, waarbij voor het hechtmiddel een lijm, zoals siliconen-, epoxy,- of polyurethaanlijm, wordt gekozen. 1 0 1 !|6 20