CN101603733B - 用于加热流动气体介质的加热装置的电阻加热元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于加热流动气体介质的加热装置的电阻加热元件。本发明涉及用于加热装置的电阻加热元件，所述电阻加热元件具有一个流动管道和至少一个加热电阻器，气体介质能够从所述电阻加热元件的管道入口侧流向管道出口侧，所述至少一个加热电阻器大致在流动管道的方向延伸，所述介质流经所述加热电阻器且在该过程中被加热。所述加热电阻器是杆形的且由导电陶瓷材料制成。所述电阻加热元件旨在安装在加热管中，空气例如在一端吹入所述加热管。加热后的空气流从加热管的另一端排出。
Description
技术领域
本发明涉及用于加热气体介质的加热装置的电阻加热元件，具有至少一个加热电阻器，所述至少一个加热电阻器大致在电阻加热元件的纵向方向延伸，所述介质流经所述加热电阻器且在该过程中被加热。所述电阻加热元件具有至少一个流动管道，所述至少一个流动管道沿所述加热电阻器延伸，且所述气体介质能够通过所述至少一个流动管道从所述电阻加热元件的管道入口侧流向管道出口侧，所述加热电阻器包括用于引导电流的导电陶瓷材料。本发明也涉及用于流动气体介质的加热装置，所述加热装置配备有这种类型的电阻加热元件。
背景技术
在本文中，加热装置具体地指的是电阻加热元件设置在加热管中的加热设备、模块或***。例如，空气或气体被吹入所述管的一端，且加热后的空气或气体流从另一端排出。空气流可以由设置在加热装置上的吹风机产生，或可以由外部空气流发生器提供给加热装置，或在气体流的情况下可以由优选加压气体贮存器提供。
这种加热装置是公知的且广泛地用于工业和商业中。在这些装置中，为了产生热的空气或气体流，冷的气体介质流朝电阻加热元件引导，且然后通过和/或沿暴露给所述流的加热元件引导，其中，由于冷介质与热加热电阻器接触，因而冷介质在从加热电阻器的入口侧到出口侧的途中被不断加热。流动气体介质在一个或几个流动管道中通过加热元件，所述流动管道包围至少一个加热电阻器。
从DE 198 39 044A1可知热空气装置形式的这种加热装置，其中，电阻加热元件设置在加热管中。通常，各种喷嘴能够附接到与加热元件空气出口侧有关的加热管侧面。所述加热元件包括由高热强度陶瓷材料制成的载体，所述载体经由中心销保持在连接头上，所述连接头设置在面向吹风机的侧面上。该连接头也用作加热电阻器的电连接，加热电阻器由在中心空气管道中以螺旋形配置延伸的电热丝形成。薄的陶瓷盖板设置在加热元件的空气出口侧，盖板也由中心销保持。连接头以及盖板具有用于空气流的通道，从而允许空气流无阻碍地通过带有加热电阻器的空气管道。
如果在此所使用的电阻加热元件在一定时间量内在没有足够的空气流的情况下工作，电热丝将通常烧穿，从而使得加热元件不能用。不足的空气流可能由例如吹风机故障或热空气装置的空气入口或空气出口截面受限制而引起。为此，需要进行专用保护性电措施以保护电热丝不会遭受不希望的过热。为此，商业热空气装置通常配备有热传感器或开关，当存在过热的风险时，所述热传感器或开关降低或中断提供给加热电阻器的功率。
关于现有技术，参考公布文献DE 10 12 675A1，US 6,442,342B1和EP 0 899 985。
DE 10 12 675A1公开了一种由PCT陶瓷制成的流通式电阻加热元件，借助于小截面和低重量流率，所述加热元件尤其适合于加热流经所述加热元件的液体。在流动方向，所述加热元件具有长圆形截面主体和电极层，所述主体在纵向方向具有大致恒定的截面面积，加热电流由所述电极层以大致垂直于流动液体的流动方向引导通过所述截面主体的壁。所述壁自始至终具有大致均匀的厚度，与电流路径相对应，且加热肋配备有闯入流动管道中的电极层。
US 6,442,342B1也公开了一种用于液体的流通式加热器。所公开的流通式加热器具有嵌入在金属壳体中的电阻加热元件。在所述壳体中，用于液体的流动管道以一定距离平行于一个加热元件延伸。电阻加热元件本身没有整体式的流动管道，且其整个表面与壳体直接接触。来自于加热元件的热间接地传递给沿壳体截面流动的液体，在壳体截面中设置管状流动管道，所述壳体由具有良好热传导性的材料制成。
EP 0 899 985A1涉及一种用于加热机动车辆的闭合循环***中的液体的流通式加热器。所述流通式加热器包括至少一个加热主体，所述至少一个加热主体带有至少一个管道和至少一个PCT加热元件，待加热液体流经所述至少一个管道，所述至少一个PCT加热元件用于加热紧邻设置的加热主体。其结构和功能基本上类似于US 6,442,342B1所公开的流通式加热器。不同之处在于，具有多个流动管道和多个加热元件。
发明内容
本发明解决了提出用于流动气体介质的加热装置的改进电阻加热元件的问题，其中，甚至在没有专用保护性措施的情况下降低了过热的风险。
根据本发明，该问题由具有权利要求1的特征的电阻加热元件以及由根据权利要求10的用于流动气体介质的加热装置来解决。附加的有利实施例在从属权利要求中给出。
根据本发明，所述电阻加热元件的加热电阻器是杆形的，加热电阻器由载板保持，所述载板设置在电阻加热元件的管道入口侧和管道出口侧，且流动管道在所述载板中继续。加热电阻器的端部主动地接合所述载板。
在本文中，杆形加热电阻器指的是其长度明显大于宽度的实心加热电阻器。加热电阻器的截面形状能够任意选择，且也可以沿其长度变化。在纵向方向，加热电阻器也可以具有彼此连接以形成电流路径的两个或更多平行部分。
加热电阻器包括用于引导电流的导电陶瓷材料。导电陶瓷材料本身可以用作陶瓷加热电阻器，或可以设置为陶瓷杆的护套，陶瓷杆包括不导电陶瓷材料。这种加热电阻器具有高的机械强度以及电磨损强度和热强度，从而可以具有长的工作寿命。此外，用于该装置中的陶瓷材料也具有关于热和电传导性的极佳属性。通过加热电阻器的电流能够受到陶瓷材料的传导性以及受到陶瓷加热杆的几何形状的影响。通过改变其组分的导电和不导电部分，陶瓷材料的导电性能够在宽的范围内变化。由于与已知加热元件相比，较高的温度和较快的温度变化是可能的，因而有附加的益处。
根据本发明的电加热元件预期为例如空气加热器，所述空气加热器以通常用于船舶和航空器中的48V电压工作或以电力公司作为线电压提供的110V、230V或380V工作。为此，陶瓷杆形加热电阻器的电阻必须足够高。这能够通过导电陶瓷材料的高电阻率和/或通过陶瓷加热电阻器的几何形状设计来实现。
给出了电阻加热元件的优选实施例，其中，导电陶瓷材料具有0.01至1.0Ω-cm之间的电阻率，和/或加热电阻器的陶瓷材料的长度-截面面积比在1至500cm-1之间。
由于可实现的电阻率值和工作电压，长圆形加热元件必须用于根据本发明的电阻加热元件。为了避免昂贵的电连接技术，在工作期间更热的加热电阻器的侧面，即电阻加热元件的管道出口侧，U形杆形加热电阻器提供益处。这使得陶瓷加热杆的长度加倍，因而其电阻值加倍。为了进一步增加电阻加热元件的电阻和增加与流动气体介质的接触面积，可以设置多个优选U形加热电阻器。取决于可用电压源和期望功率的值，它们可以并联或串联连接。
为了建立电接触，如果杆形加热电阻器的端部用金属层涂覆，它可以实现该目的。该涂层可以例如借助于气相沉积或通过溅射来施加。优选地，使用金属印膏(metal paste)，所述金属印膏通常包含银和可能的附加贵金属，如铂或钯。
在本发明的优选实施例中，保持加热电阻器的载板由不导电陶瓷材料形成。除了电传导性之外，所述载板具有与陶瓷加热杆类似的特定材料特性。
此外，所述载板优选具有凹部且也具有通道，所述凹部与加热电阻器的截面形状匹配，且用于接收加热电阻器的端部，气体介质流能够通过所述通道。
优选地，根据本发明的电阻加热元件具有围绕加热元件中心同心设置的多个陶瓷加热杆。借助于其前端和后端部分，每个U形加热电阻器主动地保持在载板凹部中，所述载板借助于在轴向方向延伸的共同中心销而彼此固定。加热电阻器通过管道入口侧上的载板凹部彼此电连接并电连接到电源线上。此外，介质流能够通过流动管道，所述流动管道在两个载板之间延伸，且至少一个加热电阻器借助于穿过两个载板的通道而设置在所述流动管道中。
在根据本发明的电阻加热元件的一个实施例中，加热电阻器主动地连接到载板。为了用载板将长圆形加热电阻器保持到位，载板可以在烧结过程之前、期间或之后彼此永久性地连接。与普通电阻加热元件相比，以这种方式制成的加热元件是自支承的，且不需要由附加元件来引导或支承。将陶瓷加热电阻器保持在两侧上的载板必须能够承受大大超过1000℃的温度，例如，在电阻加热元件的空气出口侧。
U形陶瓷加热电阻器可以具有平坦或结构化表面。给出了本发明的优选实施例，其中，加热电阻器具有凹口和/或高起区域，从而与平坦表面相比，增加了与气体介质接触的表面面积。除了提供与流动介质热交换的尽可能大的表面面积之外，该更复杂的几何形状也具有在流经流动管道中加热电阻器的介质中产生紊流的效果。该紊流促进整个介质流的一致和均匀加热。
有利地，加热电阻器的导电陶瓷材料包括具有导电和不导电组分的混合陶瓷材料，导电陶瓷组分具有在0至10,000ppm/K之间的正导热系数。优选地，二硅化钼(MoSi2)用作导电陶瓷组分，氧化铝(Al2O3)用作不导电陶瓷组分。
优选地，正导热系数不应当过陡地上升，因为这可能导致形成热点。而且，在高达约1500℃的工作温度内不应当发生电阻率的陡侧，在具有正导热系数的一些导电陶瓷材料中通常如此。混合陶瓷材料也可以包含附加添加剂，以改进烧结特性或稳定性。也可以部分地用其它绝缘陶瓷材料(如，氧化物或氮化物或硅酸盐陶瓷材料)替代氧化铝。材料的电阻率能够通过导电组分的比例来设定在一定范围内。在混合陶瓷材料中20％至30％比例的二硅化钼被证实为理想的。这使得在室温时实现0.01至1.0Ω-cm之间的电阻率是可能的，所述电阻率在高达1000℃时增加3倍或更多。
根据本发明加热装置(例如热空气装置)具有电阻加热元件，所述加热装置包括具有根据权利要求1特征的本发明的电阻加热元件，所述电阻加热元件设置在气体介质流中且由加热管包围。在加热管一端，例如空气或气体作为介质被吹入，且加热后的空气或气体流从加热管的另一端排出。空气或气体流可以由设置在加热装置上的吹风机产生，或可以由外部加压贮存器提供给加热装置。
在下文中，参考附图所示的两个实施例详细阐述本发明。本发明的附加特性在本发明实施例的以下说明并结合权利要求和附图给出。本发明的独立特性可以本身独立地实现，或与本发明不同实施例中的多个特性进行组合。所示实施例用于加热空气流。
附图说明
图1示出了根据本发明的电阻加热元件的截面图；
图2示出了图1的载板的俯视图；
图3示出了图1的加热电阻器的透视图；
图4示出了具有光滑表面的加热电阻器的第二实施例；
图5示出了具有结构化表面的加热电阻器的第三实施例；
图6示出了与根据图5的加热电阻器匹配的载板的第二实施例；
图7示出了根据本发明的第一加热装置的透视图；和
图8示出了根据本发明的第二加热装置的透视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电阻加热元件1的实施例，电阻加热元件1在轴向截面图中具有四个加热电阻器2，在附图中仅可看到两个加热电阻器。加热电阻器2是大致杆形且具有前端和后端部分3，4。后端部分4与空气入口侧5有关，而前端部分与电阻加热元件1的空气出口侧6有关。加热电阻器2是U形的且具有平坦表面7、端部8，8’、肢部9，9’和基部10，基部10将肢部9，9’连接。加热电阻器2的端部8’借助于电桥11以导电的方式连接。电源线12通到加热电阻器8的端部8。
加热电阻器2由前和后载板13，14保持。基部10在空气出口侧上主动地接合前载板13，两个面对面的端部8，8’在空气入口侧上主动地接合后载板14。载板13，14借助于中心销(优选为方形)15彼此固定。加热电阻器2在空气管道16中延伸，当加热元件1安装在热空气装置中时，空气管道16的侧面由载板13，14包围，而空气管道16的周围由加热管(未示出)包围。
如图1，2所示，电阻加热元件具有长圆形和大致圆柱形形状。图2示出了载板13，14的俯视图，载板13，14包括由不导电陶瓷材料制成的圆形平板。附图示出了载板13，14的与加热电阻器2有关的内表面。载板13，14具有凹部17，凹部17带有孔18，用于接收加热电阻器2的前端和后端部分3，4。此外，设置用于销15的中心附接孔20，销15将载板13，14连接。凹部17的孔18用于加热电阻器2的电连接。
图3示出了由导电陶瓷材料制成的U形加热电阻器2的第一实施例。肢部9，9’和基部10具有方形截面且设置在一个平面上。表面7是平坦的。
图4示出了图3所示的加热电阻器2的第二变型，其中，肢部9具有矩形截面且肢部9’和基部10具有三角形截面，一起形成与直圆柱体的八分之一相对应的圆柱体部分。肢部9，9’的表面7是平坦的且朝彼此倾斜。
图5示出了U形加热电阻器2的第三实施例。肢部9，9’和基部10具有大致三角形截面。它们设计成使得它们一起形成与圆柱体的四分之一相对应的圆柱体部分。肢部9，9’的表面7是结构化的。它具有凹口21和高起区域22，以增加与空气流接触的表面7。此外，结构化表面7具有产生空气流的紊流的有益效果，从而确保其均匀加热。
图6示出了与图5所示的加热电阻器2匹配的载板13，14。载板13，14具有环形、大致矩形凹部17，且适于主动连接到加热电阻器2。为此，加热电阻器2设置在凹部17的角部23中。此外，载板13，14具有用于空气流的通道19，且凹部17具有孔18，用于加热电阻器2的电连接。
未示出与图4所示的加热电阻器2匹配的载板13，14。它们的设计可以类似于图6所示的载板13，14，其中，凹部17的形状适合加热电阻器2的圆柱体部分的不同截面。
图7，8示出了根据本发明的热空气装置24，25的两个实施例。图7所示的热空气装置24是没有整体式吹风机的热空气装置，吹风机能够用凸缘安装在机架上。空气流从外部提供给热空气装置24。图8所示的热空气装置25配备有内部吹风机且可以用作手持式热空气装置。除此之外，两个装置的设计大致类似。它们具有带有前加热管27的壳体26。根据本发明的电阻加热元件1(在图中未示出)安装在加热管27中。电阻加热元件1的空气出口侧6朝向加热管27的空气出口开口28的方向，空气入口侧5朝向壳体26的后端。电阻加热元件1的加热电阻器2经由壳体26提供电压。
Claims (12)
1.一种用于加热气体介质的电阻加热元件(1)，具有：
至少一个加热电阻器(2)，所述至少一个加热电阻器(2)在所述电阻加热元件(1)的纵向方向延伸，所述介质流经所述加热电阻器且在该过程中被加热；和
至少一个流动管道(16)，所述至少一个流动管道(16)沿所述加热电阻器(2)延伸，且所述介质能够通过所述至少一个流动管道(16)从所述电阻加热元件(1)的管道入口侧(5)流向管道出口侧(6)，所述加热电阻器(2)包括用于引导电流的导电陶瓷材料，其特征在于：
所述加热电阻器(2)是杆形的且由载板(13，14)保持，所述载板(13，14)设置在所述电阻加热元件(1)的所述管道入口侧(5)和所述管道出口侧(6)，且所述流动管道(16)的侧面由所述载板包围，所述加热电阻器(2)的端部(8，8’，10)主动地接合所述载板(13，14)。
2.根据权利要求1所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述导电陶瓷材料具有0.01至1.0Ω-cm之间的电阻率。
3.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述加热电阻器的陶瓷材料的长度-截面面积比在1至500-1之间。
4.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述加热电阻器(2)是U形的。
5.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述载板(13，14)由不导电陶瓷材料制成。
6.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述载板(13，14)具有凹部(17)且也具有通道(19)，所述凹部(17)与所述加热电阻器(2)的截面形状匹配，且用于接收加热电阻器(2)的端部(8，8’，10)，气体介质流能够通过所述通道(19)。
7.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述加热电阻器(2)主动地连接到所述载板(13，14)。
8.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述加热电阻器(2)具有凹口(21)和/或高起区域(22)，从而与平坦表面相比，增加了与气体介质流接触的表面(7)。
9.根据权利要求1或2所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：所述导电陶瓷材料是具有导电和不导电组分的混合陶瓷材料，导电陶瓷组分具有正导热系数。
10.根据权利要求9所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：二硅化钼(MoSi2)用作导电陶瓷组分。
11.根据权利要求9所述的电阻加热元件(1)，其特征在于：氧化铝(Al2O3)用作不导电陶瓷组分。
12.一种用于加热流动气体介质的加热装置(24，25)，包括由加热管(27)包围的电加热元件，所述加热管(27)设置在气体介质流中，所述气体介质流由设置在加热装置(25)上的吹风机产生或从外部增压贮存器提供，其特征在于该电加热元件是根据权利要求1所述的电阻加热元件(1)。
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