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Hochbelastbarer Elektroheizkörper Die Erfindung bezieht sich auf einen
hochbelastbaren Heizkörper zum Erhitzen von gasförmigen Medien, insbesondere Luft.
mit im Strömungsweg liegenden mäander- oder zickzackförmig ausgebildeten Heizleitern,
der vorzugsweise für Heizlüfter mit Querstromgebläse verwendet ;=erden soll.
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Bei den bisher verwendeten elektrischen Heizkörpern für bewegte Luft
- ähnliches gilt in vielen Fällen auch für ruhende Luft - darf das Verhältnis der
Heizleistung zur Heizkörpergröße bzw. zu der den Heizkörperquerschnitt durchströmenden
Luftmenge ein bestimmtes Maß nicht überschreiten, damit Überhitzen bzw. Glühen der
Heizleiter und die damit verbundenen Unzuträglichkeiten vermieden werden. Hierfür
sind vor allem Gründe der Konstruktion und Sicherheit maßgeblich.
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Ein weiterer bedeutender Nachteil aller bisherigen, vorwiegend mit
schraubenfederartig gewickelten Heizspiralen gebauten Heizkörper ist ihre Neigung
zu akustischen Erscheinungen beim Luftdurchgang, insbesondere bei hohen Luftgeschwindigkeiten
im beheizten Zustand. Dies erklärt sich daraus, daß die schraubenlinienförmig ausgebildeten
Heizleiterwendeln, die mit ihren Enden an Halterungen befestigt und zwischen diesen
frei ausgespannt sind, unter ihrer Eigenelastizität im Luftstrom schwingen. Auch
die bisher gelegentlich verwendeten Heizgitter - ebenflächige-im Webverfahren hergestellte
Heizkörper - haben ähnliche und zusätzliche Nachteile. Ihre Anwendung ist ohnehin
auf spezielle Aufgaben beschränkt. vor allem auf solche, bei denen die Querschnittsverhältnisse
eine untergeordnete Rolle spielen.
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Praktisch wirken sich die Nachteile der bisher verwendeten Heizkörper,
z. B. bei Heizlüftern, so aus, daß die Heizleiter mit Rücksicht auf die gewünschte
Heizleistung knapp unter der Glühgrenze betrieben werden müssen und daher bei geringfügiger
Änderung der Menge, Geschwindigkeit und Verteilung der durchströmenden Luft oder
der Anordnung oder der Lage der Heizspiralen über der ganzen Fläche oder örtlich
an einzelnen Stellen aufglühen und schadhaft werden.
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Außer den erwähnten sind auch bereits andere Heizkörper für Heizlüfter
vorgeschlagen worden, deren Heizleiter einen zickzackförmigen oder mäanderförmigen
Verlauf nehmen. Insoweit die hierfür verwendeten Heizleiter aus dünnem, mechanisch
wenig widerstandsfähigem Material bestehen, sind hierfür besondere sehr komplizierte
Halterungen aus Draht vorgesehen, die von innen an den Umlenkstellen der Zickzackwindungen
des Heizleiters eingreifen und diesen an einem Halteelement verspannen. Bei anderen
Heizkörpern mit zickzackförmig ausgebildeten Heizkörpern besteht der letztere aus
verhältnismäßig starkem, mechanisch widerstandsfähigem Blech, das durch seitliche
Einschnitte zu einem zickzackförmigen Blechkörper verarbeitet und entlang seiner
Mittelachse an einem Trägerkörper befestigt ist. Ein solcher Heizkörper ist naturgemäß
nur für sehr hohe Leistungen verwendbar, und seine Herstellung ist mit beträchtlichem
Kostenaufwand und Materialverbrauch für Verspanungsarbeit verbunden.
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Bei einen weiteren bekannten Heizlüfter mit Turbogebläse sind mehrere
annähernd mäanderförmig gewundene Heizelemente aus Bandmaterial, die mit ihren Umlenkstellen
in starren Halterungen befestigt sind, in sternförmiger Verteilung in dem als Ringraum
ausgebildeten Strömungskanal des Lüfters so angeordnet, daß die Längsachsen der
Heizelemente achsparallel zur Längsachse des Strömungskanals, deren einzelne Windungen
hingegen radial in diesem verlaufen, wobei die Breitflächen des Heizleiterbandes
in der Strömungsrichtung liegen. Diese Art der Ausbildung der Heizelemente im Strömungskanal
eines Heizlüfters hat mehrere Nachteile.
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Z@var ist es ohne weiteres möglich, solche gleichartig ausgebildeten
Heizelemente, bei denen die Breitflächen des Heizleiterbandes in der Längsebene
des Heizelementes liegen, nicht nur etwa in einem als Ringraum ausgebildeten, sondern
auch in einem im vollen Querschnitt durchströmten, beispielsweise in einem rechteckigen
Kanal parallel zueinander und zur Strömungsrichtung anzuordnen, wobei die Breitflächen
des Heizleiterbandes ebenfalls in Strömungsrichtung liegen. Diese durch die Gestaltung
des einzelnen Heizleiterelementes bedingte Anordnung hat jedoch eine sehr geringe
Variationsbreite hinsichtlich der Gesamtausrüstung und der aufzunehmenden elektrischen
bzw. abzugebenden Wärmeleistung zur Folge. Das einzelne Heizleiterelement muß eine
gewisse Mindestlänge besitzen, um die Stromaufnahme auf
ein erträgliches
Maß zu reduzieren. Damit ergibt sich zunächst eine entsprechende Baulänge des Strömungskanals.
Andererseits ist es jedoch aus Gründen der raschen, homogenen Erwärmung des durchstrZirnenden
Gases erforderlich, die einzelnen Heizelemente in relativ geringem Abstand voneinander
anzuordnen. Dies hat jedoch - bei Parallelschaltung der Heizelemente - zur Folge,
daß die elektrische Leistung des gesamten Heizkörpers außerordentlich hoch wird,
welchem Übelstand nur durch komplizierte Schaltungsmaßnahmen zu begegnen wäre. Die
Gestaltung der beschriebenen Heizleiterelemente aus bandförmigem Heizleitermaterial
hat noch einen weiteren Nachteil. Der Umstand, daß die Breitflächen des Heizleiterbandes
in der Längsebene des Heizleiterelementes liegen sollen, machen an jeder Umlenkstelle
des mäanderförmig gewundenen Heizleiterelementes zwei rechtwinklige Abknickungen
erforderlich. Ein im eigentlichen Sinne zickzackförmig ausgebildetes Heizleiterelement
läßt sich auf diese Weise gar nicht herstellen, da an den Umlenkstellen die Breitflächen
benachbarter Windungen des bandförmigen Heizleiters aufeinanderliegen und bei der
üblichen spitzwinkligen Ausbildung der Umlenkstellen die einander überlappenden
Bereiche des Heizleiterbandes viel zu ausgedehnt wären.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkörper zum Erhitzen
von gasförmigen Medien, z. B. Luft, mit im Strömungsweg liegenden mäander-oder zickzackförmig
ausgebildeten Heizleitern, die eine Vielzahl von Umlenkstellen besitzen, zu schaffen,
der gegenüber den bisherigen Heizkörpern eine wesentliche konstruktive Vereinfachung
erlaubt und bei gleicher spezifischer Heizleiterbelastung in einem bestimmten Durchströmungsquerschnitt
eine wesentlich größere wärmeabgebende Heizleiteroberfläche unterzubringen gestattet.
Der erfindungsgemäße Heizkörper soll durch den Wegfall konstruktiver Bauelemente
im Strömungsquerschnitt der Luft bzw. des Gases eine weitgehende Verringerung des
Strömungswiderstandes und damit einhergehend eine gleichmäßige homogene Erwärmung
des Mediums und eine Verbesserung der akustischen Eigenschaften bringen. Ferner
soll der Heizkörper eine einfache Fertigung ohne komplizierte Halteelemente bei
großer mechanischer Festigkeit ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung an einem Elektroheizkörper
solcher Art dadurch gelöst, daß die quer zur Strömungsrichtung des zu erhitzenden
Mediums verlaufenden Flächen der mäander-oder zickzackförmig geführten Heizleiter,
deren Windungsteile zwischen je zwei Umlenkstellen aus Festigkeitsgründen keine
zu große Länge besitzen, zu einer Mehrzahl hintereinanderliegend angeordnet sind
und die Heizleiter vorzugsweise an ihren Umlenkstellen mittels Aussparungen oder
Durchtrittsöffnungen aufweisenden Platten aus Isoliermaterial als Halteelemente,
die zweckmäßig mindestens einen Teil des den Durchströmkanal ergebenden Rahmens
bilden. gehaltert sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flächen der mäander-
oder zickzackförmig geführten Heizleiter achsparallel zu zwei parallelen Halteelementen
und mit ihren Umlenkstellen diesen anliegend angeordnet. Die Halteelemente können
notwen- i digenfal_ls an ihren Enden durch Querstreben zu einem geschlossenen Rahmen
miteinander vereinigt sein. Die Mittel zur konstruktiven Befestigung des Heizkörpers
an einem Gerät sowie die elektrischen Anschlußorgane sind in diesem Fall an dem
Rahmen angeordnet. Bei größerer Länge der seitlichen isolierenden Halteelemente
können ein oder mehrere Zuganker zum Zusammenhalten und Anziehen der Halteelemente
gegen die zwischen ihnen annähernd geradlinig sich erstreckenden Windungsteile der
Heizleiter vorgesehen sein.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Heizkörpers, bei der die
Halteelemente selbst einen Teil der Wandung des Strömungskanals bilden und dieser
von zusätzlichen konstruktiven Elementen, Trägerkörpern u. dgl. frei bleibt, da
die Heizleiter selbst einen Teil der konstruktiven Gestaltung dar-; stellen, wird
erreicht, daß der gesamte, von der Luft bzw. dem Gas bestrichene Querschnitt vollständig
für den Luftdurchtritt zur Verfügung steht. Hieraus ergeben sich günstige Strömungs-,
Erwärmungs- und akustische Eigenschaften, da die kritischen Reynolds-Zahlen des
Gebläses nicht erreicht werden. Der gleiche Umstand wirkt sich ferner günstig auf
die Gleichmäßigkeit der Heizleitertemperatur aus, da innerhalb des Austrittsquerschnitts
keine durch konstruktive Bauelemente gegen den Luftstrom verdeckten Heizleiterteile
vorhanden sind und da außerdem die erfindungsgemäße Gestaltung gestattet, größere
Heizleiterlängen, die von vornherein eine niedrigere Temperaturbelastung erlauben,
im Durchtrittsquerschnitt unterzubringen.
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Um eine seitliche Verschiebung der an den Halteelementen anliegenden
Stellen der Heizleiter zu verhindern, können die Heizleiter an ihren Umlenkstellen,
z. B. den Zackenspitzen, in Lochungen u. dgl. an den Halteelementen fixiert und
durch Befestigungsmittel, wie Anheften, Auf- oder Einkitten, Kunststoffschweißung
u. dgl., befestigt sein.
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Eine spezielle Ausführungsform dieser Gestaltungsart für Gebläsetypen
mit rundem Ausblaskanal sieht vor, daß die Heizleiter zwischen zwei konzentrisch
ineinander angeordneten, ringförmigen Halteelementen angeordnet sind. Bei dieser
Ausführungsform entfallen etwaige zusätzliche Streben oder weitere konstruktive
Elemente für die Bildung des Rahmens.
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Bei rechteckigen Heizkörpereinheiten, bestehend aus geradlinig parallelen
Halteelementen und den zwischen diesen angeordneten Heizleitern, besteht die Möglichkeit,
mehrere solche Einheiten zu größeren Heizkörperaggregaten zusammenzubauen und zur
Erzielung einer größeren elektrischen Gesamtleistung zusammenzuschalten.
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Um der Bedingung zu genügen, auf einem bestimmten Querschnitt eine
möglichst große Oberfläche des Heizleiters unterzubringen, werden zweckmäßig Heizleiter
aus bandförmigem Material verwendet, die zwischen den Halteelementen so angeordnet
sind, daß die Breitflächen des bandförmigen Heizleiters rechteckigen bzw. elliptischen
Querschnitts in der Richtung der durchströmenden Luft bzw. des Gases verlaufen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform grundsätzlich ähnlicher
Art sieht vor, daß die mäander-oder zickzackförmig geführten Heizleiter an nur einem
Halteelement mit ihren einseitigen Umlenkstellen befestigt sind, so daß die auf
der anderen Seite befindlichen Zacken bzw. Umlenkstellen frei wegragen. Vorzugsweise
sind bei dieser Ausführungsform die Windungen der Heizleiter in Richtung auf die
frei wegragenden Enden nach Art der Zähne eines
Kammes unter Bildung
der statisch günstigen Dreiecksform spitzwinklig verjüngt.
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Diese Ausführungsform stellt eine besonders vielseitig und einfach
zu verwendende Einheit dar, die sich zu vielgestaltigen Aggregaten zusammenbauen
läßt. Auch kann die Befestigung an dem Halteelement auf besonders einfache Weise
dadurch erfolgen. daß das Halteelement zweiteilig ausgebildet ist, wobei der eine
Teil mit paßrechten Durchbrechungen versehen ist, durch die die kammzahnähnlichen
Windungen der Heizleiter bis zum Anschlag hindurchgeschoben und durch Auflegen und
Befestigen des zweiten Teils fixiert werden. Die statisch günstige Dreiecksform
der Windungen vermittelt den Heizleitern eine beträchtliche Seitensteifigkeit der
frei wegragenden Enden.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsformen des
Gegenstandes der Erfindung wiedergegeben sind. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1
eine bevorzugte rechteckige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizkörpers in
Seitenansicht, F i g. 2 denselben im Schnitt entlang der Schnittlinie 11-II der
F i g. 1, F i g. 3 ein aus zwei Heizkörpern entsprechend F i g. 1 aufgebautes Heizaggregat
in Seitenansicht, F i g. 4 eine technisch gleichartige Ausführungsform des Heizkörpers
in ringförmiger Gestaltung in Seitenansicht, F i g. 5 einen Abschnitt eines Heizkörpers
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Seitenansicht, F i g. 6 ein aus
zwei Einheiten des Heizkörpers der F i g. 5 zusammengesetztes Heizaggregat in Seitenansicht
in verkleinerter Darstellung, F i g. 7 ein aus zwei gleichartigen Einheiten in anderer
Weise aufgebautes Heizkörperaggregat.
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Der rechteckige Heizkörper 1 der F i g. 1 und 2 besteht aus den beiden
Halteelementen 11, 11', den beiderseitigen Querstreben 12 und den zwischen
den Halteelementen im Abstand voneinander angeordneten mäanderartig aus bandförmigem
Heizleitermaterial gewickelten Heizleitern 13 a bis 13 f. Die Halteelemente
11, 11' bestehen aus je einer inneren, mit Durchbrechungen von der Länge
der Heizleiterbandbreite versehenen Rahmenleisten' und einer äußeren glatten Rahmenleiste
11. Die Heizleiter sind mit ihren Umlenkstellen jeweils durch die Durchbrechungen
der Rahmenleiste l l' durchgeführt und stützen sich gegen die äußeren Rahmenleisten
11 frei tragend ab, wobei sie die geringfügige mechanische Druckbeanspruchung
des Rahmens ohne weiteres aufnehmen. Die Durchbrechungen der inneren Rahmenleisten
11' verhüten ein seitliches Verschieben der Umlenkstellen der Heizleiter. Die jeweiligen
Enden der Heizleiter sind mittels Kontaktplättchen 14a bis 14 f durch die Halteelemente
hindurch nach außen geführt, wo sie je nach den schaltungstechnischen Erfordernissen
einzeln oder zu Gruppen mittels Kontaktleisten usw. zusammengefaßt sein können.
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Aus der Betrachtung der F i g. 1 und 2 ergeben sich die Vorteile des
erfindungsgemäßen Heizkörpers mit besonderer Deutlichkeit. Der gesamte Innenraum
des durch die Halteelemente 11, 11' und die Querstreben 12 gebildeten Rahmens
ist frei von den Durchtritt des Mediums, z. B. der Luft, behindernden Konstruktionselementen,
gestattet aber andererseits, eine beträchtliche Heizleiterlänge unterzubringen.
Die Verwendung von bandförmigen, dünnen Heizleitern, deren Anordnung so getroffen
ist, daß ihre Breitlläch--n in der Strömungsrichtung liegen, bewirkt, daß einerseits
der Durchtrittsquerschnitt durch den Heizleiter selbst nur minimal verringert ist,
andererseits dem Luftstrom eine außerordentlich große beheizte Fläche dargeboten
wird.
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In dieser Form stellt der erfindungsgemäße Heizkörper 1 (F i g. 9
und 2) ein einheitliches Bauelement dar, das sich, wie F i g. 3 zeigt, zu aus zweien
oder mehreren bestehenden größeren leistungsfähigen Aggregaten vereinigen läßt,
für die die gleichen Vorteile, wie vorstehend geschildert, gelten. Wie die Zeichnung
zeigt, fehlen bei dem Aggregat 3 die Seitenstreben 12 der Einzelheizkörper, da diese
je nach den auftretenden mechanischen Beanspruchungen und den sonstigen Voraussetzungen
nicht unbedingt erforderlich sind. In diesem Fall übernehmen die annähernd linear
zwischen den Halteelementen sich erstreckenden Teile des Heizleiters die durch die
Anbringung in dem betreffenden Gerät auftretenden Druckbeanspruchungen.
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Einen technisch gleichartig, in der räumlichen Gestaltung jedoch abweichend
ausgebildeten Heizkörper 4 zeigt F i g. 4. Bei diesem sind die Heizleiter
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zwischen zwei ringförmigen, konzentrischen Halteelementen, die ihrerseits
wiederum aus einer inneren Rahmenleiste 41' und einer äußeren Rahmenleiste
41 bestehen, angeordnet. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Gebläse
mit kreisförmigem oder ringförmigem Luftaustrittsquerschnitt geeignet.
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Eine besonders einfache und zweckmäßige, statisch überaus günstige
Ausführungsform, die vielseitig verwendbar ist, zeigen die F i g. 5 bis 7. F i g.
5 zeigt einen Heizkörper 50 mit am jeweiligen einen Ende zickzackförmig,
am jeweiligen anderen Ende mäanderartig ausgebildeten Heizleitern 51, die
an einem aus zwei Halteleisten 52, 52' bestehenden Halteelement befestigt
sind. Die innere Halteleiste 52' ist in gleichmäßigen Abständen mit Durchbrechungen
53 versehen, durch die die kammzahnartig ausgebildeten zickzackförmig spitzwinkligen
Enden 54 der Heizleiter so weit durchgeführt sind, bis die mäanderartig gewundenen
Enden der Gegenseite an den zwischen den Durchbrechungen verbleibenden Stegen 55
anliegen. Von der Außenseite ist sodann die Halteleiste 52 aufgelegt, und
beide Halteleisten sind miteinander verklammert.
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Die beschriebene Ausführungsform weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten gewährt das erreichte Minimum an notwendigen
Halteorganen außerordentlichen architektonischen Spielraum bei vollkommener Erhaltung
der erforderlichen Festigkeit. Die kammzahnähnliche 'spitzwinklige Form der Windungen
vermittelt eine bedeutende Steifigkeit in Achslängsrichtung, während die Quersteifigkeit
durch die Breite des gegebenenfalls verwendeten Heizleiterbandes vermittelt wird.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist der Heizleiter achsparallel zu
dem Halteelement angeordnet.
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Nach F i g. 6 sind zwei Heizkörper der beschriebenen Art mit den Halteelementen
aufeinanderliegend zu einem Aggregat vereinigt, dessen Heizleiter 51
nach
beiden Seiten der Halteelemente frei in den Raum wegragen. Bei der Ausführungsform
der F i g. 7 sind zwei Heizkörper mit den freien Enden
der Heizleiter
51 einander zugekehrt zu einem Heizaggregat vereinigt. Hierbei bilden die Halteelemente
52, 52' seitliche Längsleisten eines Rahmens, der durch die Querleisten 56
zum Rahmen geschlossen ist. Der Innenraum des Rahmens ist vollkommen frei von konstruktiven
Einbauten, und die eingebauten Wendeln verursachen keine nennenswerte Querschnittsverjüngung
für den Luftdurchgang.