PL185058B1

PL185058B1 - Rezystancyjny element grzejny

Info

Publication number: PL185058B1
Application number: PL97333823A
Authority: PL
Inventors: Eckman┴Charles┴M.; Roden┴James┴S.
Original assignee: Energy Convertors Inc; Rheem Mfg Co
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2003-02-28
Also published as: TR199901168T2; HK1029483A1; CN1235748A; ID18980A; DE69735381D1; MY117015A; EP0941632A1; WO1998024269A1; HUP9904511A3; AU742484B2; CN1128566C; CA2265674C; BR9713543A; CZ182499A3; BR9713543B1; EP0941632B1; CA2265674A1; US6432344B1; AU5267198A; JP2001506796A

Abstract

1. Rezystancyjny element grzejny, posiadajacy rame wsporcza z wieloma przelotowymi otworami, kolnierzowym koncem i powierzchnia wsporcza, znamien- ny tym, ze wsporcza rama jest rama szkie- letowa (70), a na powierzchnie wsporcza (70) nawiniety jest przewód oporowy (66) dolaczony do co najmniej jednej pary zaci- skowych elementów koncowych kolnierza, przy czym na przewodzie oporowym (66) usytuowana jest przewodzaca cieplnie, po- wloka polimerowa (30, 64) w celu herme- tycznego zamkniecia i elektrycznej izolacji przewodu oporowego (66). FIG. 9 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest rezystancyjny element grzejny, zwłaszcza do grzania gazów i cieczy.

Rezystancyjne elementy grzejne stosowane w połączeniu z grzejnikami wody są tradycyjnie wytwarzane z elementów metalowych i ceramicznych. Typowa konstrukcja zawiera parę kołków zaciskowych przylutowanych do końców uzwojenia Ni-Cr, które jest następnie umieszczone osiowo w rurowej osłonie metalowej w kształcie litery „U”. To uzwojenie rezystancyjne jest odizolowane od metalowej osłony przez sproszkowany materiał ceramiczny, zwykle tlenek magnezu.

Chociaż takie konwencjonalne elementy grzejne były podstawowym rozwiązaniem stosowanym w przemyśle grzejników wody, to jednak miały wiele powszechnie znanych wad. Przykładowo prądy galwaniczne występujące pomiędzy osłoną metalową a odsłoniętymi powierzchniami metalowymi w zbiorniku mogą powodować korozję różnych anodowych części metalowych w systemie. Osłona metalowa elementu grzejnego, która jest zwykle wykonana z miedzi lub ze stopu miedzi, wywołuje również skłonność do osadzania się kamienia z wody, co może doprowadzić do przedwczesnego uszkodzenia elementu grzejnego. Ponadto stosowanie mosiężnych zamocowań i rurek miedzianych jest kosztowne.

Jako alternatywę elementów metalowych w patencie USA nr 3.943.328 (Cunningham) zaproponowano elektryczny element grzejny w osłonie z tworzywa sztucznego. W opisanym

185 058 urządzeniu zastosowano konwencjonalny drut oporowy i sproszkowany tlenek magnezu oraz osłonę z tworzywa sztucznego. Ponieważ ta osłona z tworzywa sztucznego jest nieprzewodząca elektrycznie, nie powstaje ogniwo galwaniczne z innymi metalowymi częściami zespołu grzejnego stykającymi się z wodą w zbiorniku a ponadto nie występuje osadzanie się kamienia. Niestety z różnych powodów te znane elementy grzejne z osłoną z tworzywa sztucznego nie mogły zapewnić dużych mocy w normalnym okresie eksploatacji, a równocześnie nie znalazły szerokiego zastosowania.

Celem wynalazku jest opracowanie rezystancyjnego elementu grzejnego, który nie będzie posiadał wad znanych tego rodzaju elementów grzejnych, będzie się odznaczał dużą sprawnością grzejną, żywotnością, będzie odporny na korozję galwaniczną i na działanie kamienia wapiennego.

Cel ten osiągnięto dzięki temu, że rezystancyjny element grzejny, posiadający ramę wsporczą z wieloma przelotowymi otworami, kołnierzowym końcem i powierzchnia, wsporczą charakteryzuje się tym, że wsporcza rama jest ramą szkieletową, a na powierzchnię wsporczą tej ramy nawinięty jest przewód oporowy dołączony do co najmniej jednej pary zaciskowych elementów końcowych kołnierza, przy czym na przewodzie oporowym usytuowana jest przewodząca cieplnie powłoka polimerowa w celu hermetycznego zamknięcia i elektrycznej izolacji przewodu oporowego.

Korzystnie jest, gdy powierzchnia wsporcza zawiera wiele podłużnych wypustów, które korzystnie zawierają wiele rowków na przewód oporowy oraz są połączone z wieloma pierścieniowymi wspornikami.

Korzystnie jest też, gdy wsporcza rama szkieletowa posiada żebra odprowadzania ciepła i gdy żebra te usytuowane są na wewnętrznej powierzchni wsporczej ranny szkieletowej, przy czym korzystnie jest, gdy pokrywają one co najmniej 10% powierzchni wsporczej ramy szkieletowej.

Korzystnie jest również, gdy wsporcza rama szkieletowa jest pokryta powłoką polimerową, w co najmniej 90% swej powierzechni.

Korzystnie jest, gdy wsporcza rama szkieletowa jest zasadniczo kształtu rurowego a przelotowe otwory pokrywają co najmniej około 10% całej powierzchni, wsporczej ramy szkieletowej.

Wreszcie korzystnie jest, gdy wsporcza rama szkieletowa i powłoka polimerowa zawierają żywicę termoplastyczną.

Rezystancyjne elementy grzejne według wynalazku, nadają się do wprowadzenia przez ścianę zbiornika, takiego jak zbiornik urządzenia do nagrzewania wody, lub innego płynnego medium.

Wynalazek ten znacznie ułatwia produkcję elementu grzejnego, na przykład operacje formowania przez zastosowanie cienkiej konstrukcji szkieletowej jako wspornika rezystancyjnego drutu grzejnego. Lepszy jest też przepływ roztopionego materiału polimerowego dzięki otworom w ramie wsporczej. Otwarta konstrukcja ramy wsporczej umożliwia większe przekroje formy, które są łatwiej napełniane. Przykładowo podczas formowania wtryskowego roztopiony polimer może powlekać prawie całkowicie rezystancyjny drut grzejny, co znacznie zmniejsza występowanie pęcherzyków w miejscu połączenia wsporczej ramy szkieletowej i nałożonej powłoki polimerowej. Wiadomo, że pęcherzyki takie powodują gorące punkty podczas pracy elementu grzejnego w wodzie. Dodatkowo cienka szkieletowa rama wsporcza, według wynalazku, zmniejsza możliwość rozwarstwienia uformowanych części składowych i oddzielenia grzejnego drutu oporowego od polimerowej powłoki. Znacznie też, polepsza się pokrycie, można też stosować znacznie mniejsze otwory formy dzięki niższym wymaganiom ciśnieniowym.

Zastosowanie tej samej żywicy termoplastycznej zarówno na wsporczą ramę szkieletową jak i na powłokę polimerową zapewnia bardziej równomierne przewodzenie cieplne elementu.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia element grzejny w widoku perspektywicznym, fig. 2 element grzejny w widoku od czoła, fig. 3 - element grzejny w widoku z boku, częściowo

185 058 w przekroju wzdłużnym, fig. 4 - część kształtki wewnętrznej elementu grzejnego w widoku z boku, częściowo w przekroju wzdłużnym fig. 5 - część elementu grzejnego w przekroju, z zespołem zacisków, fig. 6 - fragment uzwojenia elementu grzejnego w widoku, fig. 7 fragment podwójnego uzwojenia elementu grzejnego w widoku, fig. 8 - wsporcza rama szkieletowa elementu grzejnego w widoku perspektywicznym, fig. 9 - część wsporczej ramy szkieletowej z fig. 8 (w powiększeniu), z pokazaniem nałożonej powłoki polimerowej, fig. 10 przekrój poprzeczny wsporczej ramy szkieletowej innego przykładu wykonania, fig. 11 wsporcza rama szkieletowa z fig. 10 w widoku od czoła, fig. 12 - wsporcza rama szkieletowa z fig. 10 w widoku z boku.

W poniższym opisie określenia płyn i płynne medium odnoszą się zarówno do cieczy jak i do gazów.

Na fig. 1-3, przedstawiono rezystancyjny element grzejny 100, przeznaczony do ogrzewania płynów. Posiada on rezystancyjny materiał grzejny, który może mieć przykładowo postać drutu, siatki, wstęgi lub węża. Przykładowo rezystancyjnym elementem grzejnym jest uzwojenie 14, posiadające parę wolnych końców połączonych z parą końcowych elementów zaciskowych 12 i 16. Uzwojenie 14 jest hermetycznie i elektrycznie odizolowane od płynu integralną warstwą z materiału polimerowego odpornego na wysoką temperaturę. Inaczej mówiąc, aktywny rezystancyjny materiał grzejny jest zabezpieczony przed zwarciem w płynie przez powłokę polimerową. Materiał rezystancyjny według wynalazku ma wystarczające pole powierzchni, długość lub grubość przekroju, by grzać wodę do temperatury co najmniej około 49°C bez roztapiania warstwy polimerowej. Jak to wyniknie z poniższego omówienia, można to zrealizować przez staranne dobranie odpowiednich materiałów i ich wymiarów.

Jak pokazano zwłaszcza na fig. 3, korzystny rezystancyjny element grzejny 100 zawiera zasadniczo trzy integralne części: zespół zaciskowy 200, pokazany na fig. 5, wewnętrzną kształtkę 300, pokazaną na fig. 4, oraz powłokę polimerową 30. Poniżej objaśniona zostanie każda z tych części oraz rezystancyjny element grzejny 100, po ich ostatecznym zamontowaniu.

Wewnętrzna kształtka 300, pokazana na fig. 4, jest jednoczęściowym, uformowanym przez wtrysk elementem z polimeru odpornego na wysoką temperaturę. Wewnętrzna kształtka 300 zawiera przy swym zewnętrznym końcu kołnierz 32. Przy kołnierzu 32 usytuowana jest kołnierzowa część posiadająca wiele nitek gwintu 22. Te nitki gwintu 22 są przeznaczone do wpasowania w wewnętrzną średnicę otworu montażowego wykonanego w bocznej ścianie zbiornika, np. zbiornika 13 do grzania wody. Na wewnętrznej powierzchni kołnierza 32 może być zastosowany (nie pokazany) pierścień uszczelniający o przekroju okrągłym, aby uzyskać pewniejsze uszczelnienie dla wody. Kształtka wewnętrzna 300 ma również wnękę 39 dla termistora, przy czym wnęka ta jest usytuowana wewnątrz kołowego przekroju poprzecznego wewnętrznej kształtki 300. Wnęka 39 dla termistora może zawierać końcową ściankę 33, do oddzielania termistora 25 od płynu. Wnęka 39 dla termistora jest otwarta poprzez kołnierz 32, aby zapewniać łatwe wprowadzanie zespołu zaciskowego 200. Wewnętrzna kształtka 300 zawiera również co najmniej dwie szczeliny 31 i 35, usytuowane pomiędzy wnęką na termistor a zewnętrzną ścianką wewnętrznej formy, by przyjąć przewód 18 i końcówkę 20 zaciskowego zespołu 200. Wewnętrzna kształtka 300 zawiera szereg promieniowo usytuowanych rowków prowadzących 38 rozmieszczonych wokół swego zewnętrznego obwodu. Rowki te są przykładowo gwintem albo nie połączonymi ze sobą rowkami itd. Są one usytuowane w wystarczającym odstępie od siebie, aby zapobiec zwarciu przewodów elektrycznych uzwojenia 14.

Wewnętrzna kształtka 300 jest przykładowo wytwarzana przy wykorzystaniu procesów formowania wtryskowego. Przepływowa wnęka 11 jest utworzona przy zastosowaniu hydraulicznie poruszanego, wyciąganego rdzenia o długości 32 cm, przez co powstaje element, który ma długość około 33-46 cm. Wewnętrzna kształtka 300 jest przykładowo wytwarzana w metalowej formie, która jest napełniana przy użyciu pierścieniowego wlotu umieszczonego naprzeciw kołnierza 32. Docelowa grubość ścianki aktywnej części 10 elementu jest korzystnie mniejsza niż 1,27 cm, a najkorzystniej mniejsza niż 0,25 cm, przy czym docelowy zakres wynosi 0,1-0,15 cm, co jest uważane za aktualnie dolną granicę dla urządzeń formowania wtryskowego. Wzdłuż korpusu 10, pomiędzy kolejnymi gwintami lub niezależnymi rowkami kształtowana jest również para haczyków lub kołków 45 i 55, aby zapewnić punkt zakończenia

185 058 lub zakotwienie dla zwojów jednego lub kilku uzwojeń. Stosuje się wyciąganie bocznych rdzeni i wyciąganie rdzenia końcowego poprzez część kołnierzową, aby utworzyć wnękę 39 na termistor, przepływową wnękę 11, szczeliny 31 i 33 na przewody oraz przepływowe otwory 57.

Zespół zaciskowy 200 z fig. 5 zawiera polimerowy kołpak końcowy 28, przeznaczony do przyjęcia pary zacisków 23 i 24. Jak pokazano na fig. 2, zaciski 23 i 24 zawierają gwintowane otwory 34 i 36 na gwintowany łącznik, taki jak wkręt, służący do mocowania zewnętrznych przewodów elektrycznych. Zaciski 23 i 24 są odpowiednio częściami końcowymi zaciskowego przewodu 20 i 21 termistora 25. Prętowy przewód 21 termistora łączy elektrycznie zacisk 24 z zaciskiem 27 termistora 25. Drugi zacisk 29 termistora 25 jest dołączony do prętowego przewodu 18 termistora 25. Termistor 25 jest umieszczany we wnęce 35. Ewentualnie termistor 25 można zastąpić przez termostat, półprzewodnikowy element lub jedynie taśmę uziemiającą, która jest dołączona do przykładowo zewnętrznego wyłącznika. Uważa się, że taśma uziemiająca (nie pokazano) może być usytuowana w pobliżu jednej z końcówek 16 lub 12 uzwojenia, tak aby zapewniać zwarcie przy stopieniu polimeru.

W korzystnym środowisku termistor 25 jest termostatem/termochronnikiem o działaniu zatrzaskowym. Ten termoochronnik ma miniaturowe wymiary i nadaje się do pracy z obciążeniami na napięcie 120/240 V prądu przemiennego. Zawiera przewodzącą konstrukcję bimetaliczną z elektrycznie aktywną obudową. Kołpak końcowy 28 jest według jednego przykładu wykonania oddzielnie ukształtowaną częścią polimerową.

Po wytworzeniu zespołu zaciskowego 200 i wewnętrznej kształtki 300 są one montowane ze sobą przed nawinięciem opisanego uzwojenia 14 na prowadzących rowkach 38 korpusu 10. Końcówki 12 i 16 uzwojenia łączy się z przewodem zaciskowym 20 i prętowym przewodem 18 termistora 25 przez lutowanie twarde, lutowanie lub zgrzewanie punktowe. Ważne jest prawidłowe umieszczenie uzwojenia 14 na wewnętrznej kształtce 300 przed nałożeniem polimerowej powłoki 30. W korzystnym przykładzie wykonania powłoka polimerowa 30 jest wytłaczana z nadmiarem w celu utworzenia termoplastycznego spojenia polimerowego z wewnętrzną kształtką 300. Podobnie jak w przypadku wewnętrznej kształtki 300, w formę podczas procesu kształtowania można wprowadzić elementy wyciągania rdzenia, aby otrzymać otwarte przepływowe otwory 57 i przepływową wnękę 11.

Na fig. 6 i 7 przedstawiono pojedynczy i podwójny drut oporowy w przykładowych wykonaniach polimerowych rezystancyjnych elementów grzejnych według niniejszego wynalazku. W przykładzie wykonania z pojedynczym drutem, pokazanym na fig. 6, by uzyskać uzwojenie, pierwszą parę przewodów nawinięto na prowadzące rowki 38 wewnętrznej kształtki 300 uzyskując zwoje 42 i 43. Ponieważ ten korzystny przykład wykonania zawiera drut oporowy złożony w pętlę, część końcowa pętla (lub końcówki 44 zwoju) jest uchwycona przez zagięcie wokół kołka 45. W idealnym przypadku kołek 45 jest częścią wewnętrznej kształtki 300, uformowaną wraz z nią przez wtrysk.

Podobnie, według innego przykładu wykonania zastosowano konfigurację z podwójnym drutem oporowym. W takim przykładzie wykonania pierwsza para zwojów 42 i 45 pierwszego drutu oporowego jest oddzielona od następnej kolejnej pary zwojów 46 i 47 tego samego drutu oporowego przez końcówkę 54 zwoju drugiego uzwojenia, owiniętą wokół drugiego kołka 55. Druga para zwojów 52 i 53 drugiego drutu oporowego, które są połączono elektrycznie z końcówką 54 drugiego uzwojenia, jest następnie nawijana wokół wewnętrznej kształtki 300 za zwojami 46 i 47 w następnej sąsiadującej parze rowków prowadzących. Chociaż zespół z podwójnym uzwojeniem ma na przemian pary zwojów każdego drutu, zrozumiałe jest, że zwoje mogą być nawijane w grupach po dwa lub więcej zwojów każdego drutu oporowego lub w nieregularnych liczbach i przy żądanych kształtach uzwojenia, o ile przewodzące uzwojenia są odizolowane od siebie przez wewnętrzną formę lub inny materiał izolujący, taki jak oddzielne powłoki z tworzywa sztucznego itd.

Części z tworzywa sztucznego według niniejszego wynalazku korzystnie zawierają polimer odporny na wysoką temperaturę, który nie będzie ulegał znacznemu odkształceniu ani nie będzie się topić przy temperaturach płynnego medium 49-82°C. Najkorzystniejsze są termoplastyczne polimery o temperaturze topnienia większej niż 93°C, chociaż mogą być

185 058 używane do tego celu również pewne materiały ceramiczne i polimery termoutwardzalne. Korzystne materiały termoplastyczne mogą obejmować: fluoropochodne węglowodorów, sulfony poliarylowe, poliimidy, polieteroketony, polisiarczki fenylenu, polieterosulfony oraz mieszaniny i kopolimery tych tworzyw termoplastycznych. Polimery termoutwardzalne, które byłyby możliwe do zaakceptowania w takich zastosowaniach, obejmują pewne epoksydy, żywice fenolowe i silikony. Celem polepszenia właściwości, materiału przy wysokiej temperaturze można również zastosować polimery ciekłokrystaliczne.

W korzystnym przykładzie realizacji przedmiotowego wynalazku najbardziej pożądany jest polisiarczek fenylenu ze względu na swą przydatność do pracy w podwyższonej temperaturze, niski koszt i możliwości łatwiejszej obróbki, zwłaszcza podczas formowania wtryskowego.

Polimery według przedmiotowego wynalazku zawierają do około 5-40% wag. włókien zbrojenia, takich jak włókna grafitowe, szklane lub poliamidowe. Polimery te mogą być zmieszane z różnymi dodatkami w celu polepszenia przewodności cieplnej i ułatwienia uwalniania z formy. Przewodność cieplną polepsza się przez dodanie węgla, grafitu i metalu w postaci proszku lub płatków. Ważne jest jednak, by takie dodatki nie były stosowane w nadmiarze, ponieważ nadmiar materiału przewodzącego może pogorszyć właściwości izolacyjne i odporność na korozję powłok polimerowych. Każdy z elementów polimerowych urządzenia według wynalazku, może być wykonany z dowolnej kombinacji tych materiałów, albo też wybrane polimery mogą być użyte na różne elementy urządzenia według wynalazku, z łub bez dodatków zależnie od przeznaczenia elementu.

Materiał rezystancyjny zastosowany do wytwarzania ciepła podczas przepływu prądu w grzejnikach płynowych według wynalazku zawiera rezystancyjny metal, który przewodzi elektrycznie i jest odporny cieplnie. Popularnym metalem jest stop Ni-Cr, chociaż mogłyby być odpowiednie pewne stopy miedzi, stale i stale nierdzewne. Ponadto stosuje się przewodzące polimery, zawierające grafit, węgiel lub metal w postaci proszku lub włókien, na przykład zamiast metalicznego materiału rezystancyjnego, jeżeli tylko nadają się one do wytwarzania wystarczającej ilości ciepła na rezystancji, by ogrzać płyny, takie jak woda. Pozostałe przewody elektryczne polimerowego grzejnika płynowego 100 mogą również być wytwarzane przy zastosowaniu tych materiałów przewodzących.

Alternatywą, pokazanej na rys. 4 wewnętrznej kształtki 300 jest przedstawiona na fig. 8 i 9 wsporcza rama szkieletowa 70, posiadającą dodatkowe zalety. W operacjach formowania wtryskowego przy produkcji litej kształtki wewnętrznej 300, takiej jak rura, zdarzało się czasami nieprawidłowe napełnienie formy, ze względu na to, że konstrukcje grzejników wymagają grubości ścianek tak małych jak 0,064 cm i wyjątkowych długości do 36 cm. Przewodzący termicznie polimer również stanowił problem, ponieważ zawierał on dodatki, takie jak włókna szklane i proszek ceramiczny, tlenek glinu (A1₂O₃) i tlenek magnezu (MgO), które powodowały, że roztopiony polimer był bardzo lepki. Wskutek tego, potrzebne były nadmiernie wysokie ciśnienia do prawidłowego napełnienia formy, a czasami ciśnienie takie powodowało otworzenie formy.

W celu zmniejszenia do minimum występowanie takich problemów, stosuje się wsporczą ramę szkieletową 70 posiadającą wiele otworów i powierzchnię wsporczą do podtrzymywania grzejnego drutu oporowego 66. W przykładzie wykonania wsporcza rama szkieletowa 70 zawiera rurowy człon posiadający 6-8 usytuowanych w odstępach, podłużnych wypustów 69 usytuowanych wzdłuż długości ramy 70. Te wypusty 69 są utrzymywane razem przez szereg pierścieniowych podpór 60 rozmieszczonych w pewnych odstępach od siebie na długości członu rurowego. Te pierścieniowe podpory 60 mają korzystnie grubość mniejszą niż 0,13 cm, a korzystniej 0,064-0,076 cm. Wypusty 69 mają przy wierzchołku korzystnie szerokość około 0,318 cm i zwężają się do wąskiego przenoszącego ciepło żebra 62. Te przenoszące ciepło żebra 62 powinny wystawać co najmniej około 0,318 cm poza wewnętrzną średnicę końcowego elementu po nałożeniu powłoki, polimerowej 64, a najwyżej 0,635 cm, aby ułatwić maksymalne odprowadzanie ciepła do płynów, takich jak woda.

185 058

Zewnętrzna promieniowa powierzchnia wypustów 69 zawiera rowki, które mogą zmieścić dwuzwojowy układ grzejnego drutu oporowego 66.

Powiększenie powierzchni przenoszenia ciepła ułatwia, jak wiadomo, odprowadzanie ciepła do cieczy. Przenoszące ciepło żebra 62 według wynalazku stanowią część wsporczej ramy szkieletowej 70. Przenoszące ciepło żebra 62 według jednego przykładu wykonania stanowią część pierścieniowych podpór 60, według innego przykładu wykonania stanowią elementy ukształtowane z nałożonej powłoki polimerowej 64. Podobnie przenoszące ciepło żebra 62 według jednego przykładu wykonania znajdują się na zewnątrz wypustów 69, tak że wychodzą poza polimerową powłokę 64. Ponadto, przenoszące ciepło żebra 62 według pewnego przykładu wykonania posiadają formę wielu nieregularnych lub geometrycznie ukształtowanych wybrzuszeń lub zagłębień wzdłuż wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni elementów grzejnych. Uzyskuje się je w różny sposób, na przykład: w powierzchni powłoki polimerowej 64 lub przenoszących ciepło żebrach 62 formowaniem wtryskowym, trawieniem, piaskowaniem lub obróbką mechaniczną zewnętrznych powierzchni elementów grzejnych.

W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku wsporcza rama szkieletowa 70 zawiera termoplastyczną żywicę, która przykładowo jest utworzona z opisanych tu polimerów wysokotemperaturowych, takich, jak polisiarczek fenylenu (PPS) z niewielką ilością włókien szklanych (wzmocnienie konstrukcyjne) i ewentualnie z ceramicznym proszkiem, takim jak Al₂O₃ lub MgO, zwiększających przewodność cieplną. Alternatywnie wsporcza rama szkieletowa 70 może być spiekanym członem ceramicznym, zawierającym jeden lub kilka z następujących materiałów: krzemian glinowy, Al₂O₃, MgO, grafit, ZrO2, Si₃N₄, Y₂O₃, SiC, SiO2 itd., albo termoplastycznym lub termoutwardzalnym polimerem, który różni się od wysokotemperaturowych polimerów proponowanych do stosowania z powłoką 30. Jeżeli na wsporczą ramę szkieletową 70 używane jest tworzywo termoplastyczne, powinno mieć ono temperaturę ugięcia cieplnego większą niż temperatura roztopionego polimeru używanego do formowania powłoki polimerowej 30.

W procesie produkcji rezystancyjnego elementu grzejnego wsporczą ramę szkieletową 70 umieszcza się w maszynie do nawijania drutu, a grzejny drut oporowy 66 składa się podwójnie i nawija w konfiguracji dwuzwojowej wokół wsporczej ramy szkieletowej 70 w rozmieszczonych w odstępach rowkach 68. Całkowicie nawiniętą wsporczą ramę szkieletową 70 umieszcza się następnie w formie wtryskowej, a potem powleka się ją jedną z formuł żywic polimerowych według wynalazku. W jednym przykładzie wykonania tylko niewielka część przenoszącego ciepło żebra 62 pozostaje odsłonięta do styku z płynem, a reszta wsporczej ramy szkieletowej 70 jest pokrywana roztopioną żywicą zarówno od wewnątrz jak i na zewnątrz, jeżeli ma ona kształt rurowy. Ta odsłonięta część jest mniejsza niż około 10% pola powierzchni wsporczej ramy szkieletowej 70

Liczne otwory wsporczej ramy szkieletowej 70, umożliwiają łatwiejsze napełnianie i dokładniejsze pokrycie grzejnego drutu oporowego 66 przez roztopioną żywicę przy równoczesnym zmniejszaniu do minimum występowania pęcherzyków i gorących punktów. W korzystnych przykładach realizacji otwarte rejony stanowią co najmniej około 10%, a korzystnie więcej niż 20% całego pola powierzchni rurowej wsporczej ramy szkieletowej 70, tak że roztopiony polimer może łatwo przepływać wokół ramy wsporczej szkieletowej pierwszej 70 i grzejnego drutu oporowego 66. Alternatywna wsporcza rama szkieletowa 200 jest przedstawiona na fig. 10-12. Alternatywna wsporcza rama szkieletowa 200 zawiera również wiele podłużnych wypustów 268, posiadających rozmieszczone w odstępach rowki 260 służące do pomieszczenia nawiniętego grzejnego drutu oporowego (nie pokazano). Konstrukcyjnym elementem podtrzymującym podłużne wypusty 268 są usytuowane w odstępach, dystansowe pierścieniowe podpory 266. Mają one konstrukcję koła wozu z wieloma szprychami 264 i piastą 262. Zapewnia to konstrukcyjne podparcie na wsporczej ramie szkieletowej 70 zasadniczo nie przeszkadzając w operacjach formowania wtryskowego.

Polimerowe powłoki według wynalazku nakłada się, według jednego przykładu wykonania, przez zanurzenie opisanych wsporczych ram szkieletowych 70 lub 200 np. w złożu fluidalnym granulowanego lub sproszkowanego polimeru, takiego jak PPS. W procesie takim drut oporowy należy nawinąć na wsporczą powierzchnię szkieletową i doprowadzić do niego

185 058 zasilanie w celu wytworzenia ciepła. Jeżeli stosuje się PPS, wówczas przed zanurzeniem wsporczej ramy szkieletowej w złoże fluidalne granulowanego polimeru należy wytworzyć temperaturę co najmniej około 260°C. Złoże fluidalne umożliwi ścisły kontakt między granulowanym polimerem a ogrzanym drutem oporowym, tak że utworzy się w zasadzie równomierna powłoka polimerowa wokół całego grzejnego drutu oporowego i zasadniczo wokół wsporczej ramy szkieletowej. Uzyskany element stanowi według jednego przykładu wykonania stosunkowo litą konstrukcję, według innego przykładu wykonania ma znaczną liczbę otwartych pól na powierzchni przekroju poprzecznego, chociaż zakłada się, że grzejny drut oporowy powinien być hermetycznie izolowany od kontaktu z płynem. Ponadto jest zrozumiałe, że w celu stopienia granulek polimeru na powierzchni drutu oporowego można go wstępnie nagrzewać wraz ze wsporczą ramą szkieletową, zamiast uzyskiwać ciepło z energii elektrycznej wydzielanej w grzejnym drucie oporowym. Jest to na przykład grzanie w ośrodku po złożu fluidalnym, co zapewnia bardziej równomierną powłokę. Inne modyfikacje procesu mieszczą się w zakresie aktualnej technologii polimerów.

Standardowe parametry polimerowych grzejników płynowych według przedmiotowego wynalazku, używanych do grzania wody, wynoszą 240 V i 4500 W, chociaż długość i średnica drutu przewodzących uzwojeń 14 mogą być zmieniane, w celu uzyskania różnych mocy od 1000 W do około 6000 W, a korzystnie 1700-4500 W. Przy grzaniu gazu można stosować mniejsze moce 100-1200 W. Dwukrotnie, a nawet trzykrotnie większe moce można zapewnić przez zastosowanie wielu uzwojeń lub materiałów oporowych zakończonych przy różnych częściach wzdłuż aktywnej części 10 rezystancyjnego elementu grzejnego 200, 70.

Wynalazek niniejszy przedstawia ulepszone elementy grzejne do grzania płynu, przeznaczone do stosowania we wszelkich rodzajach urządzeń do grzania płynów, łącznie z grzejnikami wody i olejowymi grzejnikami pomieszczeń. Korzystnie urządzenia według wynalazku są głównie polimerowe, co obniża koszty i znacznie zmniejsza działanie galwaniczne w zbiornikach płynu. W pewnych przykładach realizacji wynalazku polimerowe grzejniki płynowe mogą być stosowane w połączeniu z polimerowym zbiornikiem, aby uniknąć całkowicie powstawania korozji związanej z jonami metalu.

Alternatywnie takie polimerowe grzejniki płynu można skonstruować tak, aby były używane oddzielnie równocześnie do przechowywania i grzania gazu lub płynu. W takim przykładzie realizacji przepływowa wnęka 11 jest wykonana w postaci zbiornika lub misy zbiornikowej, a uzwojenie grzejne 14 jest przykładowo zawarte w ścianie zbiornika lub misy zbiornikowej i zasilane w celu grzania płynu lub gazu w tym zbiorniku lub misie. Urządzenia grzejne według wynalazku mogą również być stosowane w urządzeniach do podgrzewania żywności, w grzejnikach lokówkowych, suszarkach do włosów, w żelazkach do fryzowania, żelazkach do prasowania i w grzejnikach używanych w kąpieliskach i basenach.

Wynalazek niniejszy nadaje się również do stosowania w grzejnikach przepływowych, w których płynne medium jest przepuszczane przez polimerową rurę zawierającą jedno lub wiele uzwojeń lub materiałów rezystancyjnych według przedmiotowego wynalazku. Gdy płynne medium przepływa przez wewnętrzną średnicę takiej rury, wówczas ciepło do grzania gazu lub cieczy jest wytwarzane przez polimerową ściankę na wewnętrznej średnicy rury. Grzejniki przepływowe są użyteczne w suszarkach do włosów, są też często stosowane do ogrzewania wody.

185 058

FIG. 13

185 058

268

FIG. 12

CN

185 058

FIG. 9

185 058

FIG. 6

FIG. 7

185 058

IT)

V

185 058

Ε-ι

W

S

W w

FIG. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Rezystancyjny element grzejny, posiadający ramę wsporczą z wieloma przelotowymi otworami, kołnierzowym końcem i powierzchnią wsporczą, znamienny tym, że wsporcza rama jest ramą szkieletową (70), a na powierzchnię wsporczą (70) nawinięty jest przewód oporowy (66) dołączony do co najmniej jednej pary zaciskowych elementów końcowych kołnierza, przy czym na przewodzie oporowym (66) usytuowana jest przewodząca cieplnie, powłoka polimerowa (30, 64) w celu hermetycznego zamknięcia i elektrycznej izolacji przewodu oporowego (66).
2. Element grzejny według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia wsporcza (70) zawiera wiele podłużnych wypustów (69,268).
3. Element grzejny według zastrz. 2, znamienny tym, że podłużne wypusty (69, 268) zawierają wiele rowków (68, 260) na przewód oporowy (66).
4. Element grzejny według zastrz. 3, znamienny tym, że podłużne wypusty (69, 268) są połączone z wieloma pierścieniowymi wspornikami (60,266).
5. Element grzejny według zastrz. 1, znamienny tym, że wsporcza rama szkieletowa (70) posiada żebra odprowadzania ciepła (62).
6. Element grzejny według zastrz. 5, znamienny tym, że żebra odprowadzania ciepła (62) usytuowane są na wewnętrznej powierzchni wsporczej ramy szkieletowej (70).
7. Element grzejny według zastrz. 6, znamienny tym, że żebra odprowadzania ciepła (62) usytuowane są na co najmniej 10% powierzchni wsporczej ramy szkieletowej (70).
8. Element grzejny według zastrz. 1, znamienny tym, że wsporcza rama szkieletowej (70) jest pokryta powłoką polimerową (30, 64) w co najmniej 90% swej powierzchni.
9. Element grzejny według zastrz. 1, znamienny tym, że wsporcza rama szkieletowa (70) jest zasadniczo kształtu rurowego a przelotowe otwory (57) pokrywają co najmniej około 10% całej powierzchni wsporczej ramy szkieletowej (70).
10. Element grzejny według zastrz. 1, znamienny tym, że wsporcza rama szkieletowa (70) i powłoka polimerowa (30, 64) zawierają żywicę termoplastyczną.