DE19823505A1 - Vorrichtung zum Erwärmen von Medien - Google Patents
Vorrichtung zum Erwärmen von MedienInfo
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Abstract
Vorrichtung zum Erwärmen von Medien, die mindestens einen Behälter zur Aufnahme des Mediums und mindestens ein flächiges Widerstandsheizelement umfaßt, wobei das Widerstandsheizelement an zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters angeordnet ist und dessen Widerstandsmasse ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Medien,
insbesondere von Flüssigkeiten.
Bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Erwärmung von Medien, z. B. bei Warm
wasserboilern erfolgt die Erwärmung des Mediums in einem Behälter dadurch,
daß Heizelemente in den Behälter, z. B. in Form von Heizstäben, eingebracht
werden. Dabei müssen die Ein- und Austrittsstellen der Heizelemente abgedichtet
werden, um ein Entweichen des Mediums zu verhindern. Dies bringt einen erhöh
ten Konstruktionsaufwand mit sich. Zudem steht das Heizelement bei herkömm
lichen Vorrichtungen unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Kontakt.
Bei einer Beschädigung des Heizelementes kann es somit bei einigen Medien wie
z. B. Wasser zusätzlich zu einem Sicherheitsrisiko kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der
Medien schnell und zuverlässig erwärmt werden können und bei der keine Pro
bleme bezüglich der Dichtigkeit des Behälters und einer Einwirkung des Medi
ums auf das Heizelement bestehen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufgabe durch eine Vor
richtung gelöst werden kann, bei der ein geeignetes Heizelement zum Erwärmen
des Mediums außerhalb des Behälters angeordnet ist und ein gezieltes Eindringen
der erzeugten Wärme in den Behälter erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Erwärmen von
Medien gelöst, die mindestens einen Behälter zur Aufnahme des Mediums, und
mindestens ein flächiges Widerstandsheizelement umfaßt, wobei das Wider
standsheizelement an zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters ange
ordnet ist und dessen Widerstandsmasse ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich das Heizelement außerhalb
des Behälters, wodurch der Behälter neben einer Öffnung zum Befüllen und
Entleeren keine weiteren Öffnungen aufzuweisen braucht und die Dichtigkeit des
Behälters somit ohne konstruktiven Aufwand gewährleistet werden kann. Wei
terhin bestehen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Sicherheitsrisiken.
Das elektrische Widerstandsheizelement tritt mit dem zu erwärmenden Medium
nicht in Kontakt. Ein Eindringen des Mediums in das Heizelement und dadurch
verursachte Kurzschlüsse oder Beschädigungen des Widerstandsheizelementes
können somit vermieden werden.
Zudem dient bei Verwendung eines elektrisch leitenden Polymers das Wider
standsheizelement als schwarzer Körper, der Strahlungen aller Wellenlängen ab
geben kann. Mit abnehmender Temperatur verschiebt sich die Wellenlänge der
abgestrahlten Strahlung immer mehr zum Infrarot. Diese Infrarot-Strahlung kann
somit in den Behälter eindringen und das darin befindliche Medium erwärmen.
Durch die Tiefenwirkung sind in dem Heizelement selber keine besonders hohen
Temperaturen erforderlich. Insbesondere bei der Erwärmung von z. B. Wasser
wird das Ausfallen von Kalk und anderen Mineralsalzen dadurch vermieden.
Durch die Wahl einer Widerstandsmasse, die ein elektrisch leitendes Polymer
umfaßt, kann das Widerstandsheizelement auch mechanischen Belastungen
standhalten. Die Polymere weisen eine solche Flexibilität auf, daß sie auch unter
Belastung nicht zu Abrissen in der Widerstandsmasse neigen, wodurch eine loka
le Überhitzung auftreten würde.
Mit dieser Widerstandsmasse kann somit ein flächiges Widerstandsheizelement
realisiert werden, das über große Bereiche der Fläche zuverlässig Wärme abge
ben kann. Diese gleichmäßige Wärmeabgabe über eine große Fläche ist insbe
sondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil, da das Medium im
Behälter gleichmäßig erwärmt wird.
Die Verwendung eines Widerstandsheizelementes, dessen Widerstandsmasse ein
elektrisch leitendes Polymer umfaßt, hat weiterhin den Vorteil, daß dieses auch
bei niedrigen Spannungen ausreichend Wärme erzeugt. Mit dem erfindungsge
mäß verwendeten Widerstandsheizelement können bei geringen Spannungen
Leistungen bis zu 30 kW/m2 auch im Langzeitbetrieb erzielt werden.
Das Widerstandsheizelement kann eine Form aufweisen, in der es mindestens
zwei Elektroden umfaßt, die sich in Längsrichtung durch die Fläche der Wider
standsmasse erstrecken, wobei der an den Elektroden angelegte Strom die Wi
derstandsmasse senkrecht zu der Dicke der Widerstandsmasse durchfließt. Als
Elektroden werden im Folgenden die Teile des Widerstandsheizelementes be
zeichnet, die der Stromzu- oder -abführung zu bzw. von der Widerstandsmasse
dienen. Die Elektroden können sich auch in Breitenrichtung durch die Fläche der
Widerstandsmasse erstrecken. Die Verwendung eines solchen Widerstandsheize
lementes bringt den Vorteil mit sich, daß die Widerstandsmasse, die zwischen
den Elektroden liegt und sich beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden
erwärmt, unmittelbar mit der Außenfläche des Behälters in Kontakt steht. Wär
meverluste können so minimiert werden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Widerstandsmasse ein Gitter
umfassen, wobei die Fäden des Gitters aus einem Kunststoff aus dem elektrisch
leitenden Polymer gebildet sind oder die Fäden des Gitters aus einem anderen
Material besteht und mit diesem Kunststoff beschichtet sind. Dieses Gitter läßt
sich aufgrund seiner Flexibilität leicht an der Außenwand des Behälters anord
nen. Hierdurch kann ein guter Kontakt zwischen dem Behälter und dem Wider
standsheizelement hergestellt und der Wärmeübergang zwischen Behälter und
Widerstandsheizelement noch verbessert werden. Zudem weist das Gitter eine
gewisse Flexibilität auf. Baucht sich der Behälter aufgrund der Befüllung mit
dem Medium oder aufgrund der Erwärmung des Mediums aus, so kann das Gitter
diese mechanische Belastung aufnehmen, ohne daß es zu einer ungleichmäßigen
Wärmeabgabe über die Fläche kommen würde. Zum einen lassen die in einem
Gitter definierten Kreuzungspunkte keine Relativänderung im Abstand zwischen
den einzelnen Fäden des Gitters zu und zum anderen besteht durch das gewählte
Material, das ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, nicht die Gefahr des Abris
ses der Fäden und damit der elektrischen Leitung. Auch bei mechanischer Bela
stung kann also eine lokale Temperaturerhöhung nicht auftreten und es erfolgt
weiterhin eine gleichmäßige Wärmeabgabe über die Fläche des Gitters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Widerstandsheizelement zwei
flächige Elektroden umfassen, zwischen denen die Widerstandsmasse in Form
einer Schicht angeordnet ist, wobei die Elektroden diese zumindest teilweise be
decken und zumindest eine der Elektroden der Außenwand des Behälters zuge
wandt ist. Bei dieser Ausführungsform durchfließt der Strom, der an die Elektro
den angelegt wird, den Schichtwiderstand im wesentlichen in der Dicke. Die
Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem gut leitenden Material. Örtliche
Überhitzungen können durch die gute Wärmeleitfähigkeit der Elektroden abgelei
tet werden. Überhitzungen können somit nur in Richtung der Schichtdicke auftre
ten und wirken sich aber aufgrund der geringen Schichtdicke bei dem flächigen
Widerstandsheizelement nicht negativ aus. Ein weiterer Vorteil eines solchen
Aufbaus des Widerstandsheizelementes in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, daß dadurch auch eine von außen, z. B. vom Behälter hervorgerufene
lokale Temperaturerhöhung durch das Widerstandsheizelement ideal ausgegli
chen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfaßt der Schichtwiderstand eine Kunststoff-
Matrix aus dem elektrisch leitenden Polymer mit einem positiven Temperatur
koeffizienten des elektrischen Widerstandes und ein in der Matrix fein verteiltes,
thermisch und elektrisch isolierendes Füllmaterial. Durch diesen Aufbau fungiert
der Schichtwiderstand zugleich als Abstandhalter zwischen den Elektroden. Das
Füllmaterial bewirkt weiterhin, daß der Stromfluß nicht den kürzesten Weg zwi
schen den Elektroden nehmen kann, sondern an dem Füllmaterial abgelenkt oder
aufgespalten wird. Dadurch wird eine optimale Ausnutzung der zugeführten
Energie erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrisch leitende Polymer der Wider
standsmasse des Widerstandsheizelementes einen positiven Temperaturkoeffizi
enten des elektrischen Widerstandes auf. Hierdurch wird ein Selbstregeleffekt
bezüglich der maximal erreichbaren Temperatur erzielt. Dieser Effekt ist dadurch
bedingt, daß aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes der Widerstandsmasse der Stromfluß durch die Widerstandsmasse
sich in Abhängigkeit von der Temperatur regelt. Je höher die Temperatur an
steigt, um so geringer wird die Stromstärke, bis sie schließlich bei einem be
stimmten thermischen Gleichgewicht unmeßbar klein ist. Eine lokale Überhit
zung und ein Durchbrennen der Widerstandsmasse kann daher zuverlässig verhin
dert werden. Dieser Selbstregeleffekt ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung
von großer Bedeutung, da es bei ungenügendem Kontakt eines Teils des Wider
standsheizelementes, z. B. durch Ablösen vom Behälter, zu einem schlechten
Wärmeübergang auf die Außenseite des Behälters kommen kann. Auch in dem
Fall, daß der Behälter nur teilweise mit dem Medium befüllt ist, kann die erzeug
te Wärme in den unbefüllten Bereichen schlecht abgeführt werden und es ist da
her wichtig, den Selbstregeleffekt der Widerstandsmasse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ausnutzen zu können, um lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfaßt diese zwei Behälter, zwischen denen ein Widerstandsheizelement so an
geordnet ist, daß die eine Oberfläche des Widerstandsheizelementes an der Au
ßenseite des einen Behälters und die gegenüberliegende Oberfläche des Wider
standsheizelementes an der Außenseite des anderen Behälters angeordnet ist.
Vorteil dieser Ausführungsform ist es, daß die Wärmeverluste minimiert werden
können. Das Widerstandsheizelement gibt Wärme in alle Richtungen ab. Durch
das Anordnen der beiden Behälter an jeweils einer Oberfläche des flächigen Wi
derstandsheizelementes wird somit der größte Teil der erzeugten Wärme an die
Behälter und damit an das zu erwärmende Medium abgegeben. Die Anordnung
des Widerstandsheizelementes zwischen den beiden Behältern hat zusätzlich den
Vorteil, daß das Widerstandsheizelement an die Behälter angepresst wird, wenn
sich diese durch das Befüllen oder durch die Erwärmung ausdehnen. Ein Ablösen
des Widerstandsheizelementes von der Behälteraußenseite wird damit vermieden
und der Kontakt zwischen dem Widerstandsheizelement und den Behältern noch
verbessert, wodurch auch der Wärmeübergang optimiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Vorrich
tung mindestens zwei Behälter, die so miteinander verbunden sind, daß das Me
dium die Behälter nacheinander durchfließen kann. Bei dieser Ausführungsform
kann das Medium in einem ersten Behälter vorgewärmt und in einem zweiten
oder weiteren Behälter auf die Solltemperatur aufgeheizt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mindestens zwei Behälter umfas
sen, die Einrichtungen aufweisen, die ein separates Befüllen und Entleeren je
weils eines Behälters erlauben. Vorteil dieser Ausführungsform ist die rasche
Verfügbarkeit der gesamten erwärmten Menge des Mediums.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt ei
nen Wassererwärmer dar. Bei dieser Verwendung der Vorrichtung können die
Vorteile der Erfindung besonders ausgenutzt werden. So kann das Wasser ohne
Risiken besonders rasch erhitzt und ein Verkalken vermieden werden. Zudem
erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine flache Bauweise, die sowohl
Platzersparnis als auch eine gleichmäßige Erwärmung des Wassers mit sich
bringt. Bei einer flachen Ausgestaltung wird vorzugsweise eine der Oberflächen
des Behälters vollständig von einem Widerstandsheizelement bedeckt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren, die die Aus
führungsformen der Erfindung schematisch darstellen, beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1: Perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit zwei Behältern und dazwischen angeordnetem Wider
standsheizelement;
Fig. 2: Perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit git
terartigem Widerstandsheizelement;
Fig. 3: Perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung mit einem Widerstandsheizelement mit flä
chigen Elektroden.
Fig. 4: Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit flächigen Elektroden;
Fig. 5: Seitenansicht eines erfindungsgemäß verwendeten Widerstandsheize
lementes mit zwei Elektroden und mehreren leitenden Schichten.
In Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 aus zwei Behältern 21,
22. Zwischen diesen Behältern 21, 22 ist das Widerstandsheizelement 3 angeord
net. Die gezeigte Ausführungsform weist eine flache Konstruktion auf, bei der
das Widerstandsheizelement 3 an einer flachen Seite der Behälter 21, 22 anliegt
und diese weitestgehend bedeckt.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der die Wider
standsmasse 33 des Widerstandsheizelementes 3 einen gitterartigen Aufbau be
sitzt. Das Widerstandsheizelement 3 ist an einer Seite des Behälters 2 angeordnet
und bedeckt dort die Außenwand weitestgehend. Die Elektroden 31, 32 erstrecken
sich in Längsrichtung durch die Widerstandsmasse 33, wodurch der an ihnen
angelegte Strom die Widerstandsmasse 33 senkrecht zur Dicke der Widerstands
masse 33 durchfließt. Diese Richtung ist in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet.
Der Behälter 2 weist weiterhin eine Befühleinrichtung 23 für das Zuführen des zu
erwärmenden Mediums und eine Entleereinrichtung 24 zum Abführen des er
wärmten Mediums auf. Wie in Fig. 2 gezeigt erstrecken sich die Elektroden 31,
32 über das Widerstandsheizelement 3 und den Behälter 2 hinaus, wodurch der
Anschluß der Elektroden 31, 32 an die Stromversorgungsquelle (nicht dargestellt)
ermöglicht wird.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gezeigt, bei der ein flächiges Widerstandsheizelement 3 mit flächigen Elektroden
33, 34 verwendet wird. In der gezeigten Ausführungsform liegt die Elektrode 34
an der Außenwand des Behälters 2 an und bedeckt diese Seite des Behälters wei
testgehend. Auf der Elektrode 34 ist der Schichtwiderstand 33 angeordnet. Dieser
besteht aus einer Kunststoffmatrix 35 aus elektrisch leitendem Polymer und weist
fein verteilten, thermisch und elektrisch isolierenden Füllstoff 36 auf. Auf dem
Schichtwiderstand 33 ist die zweite Elektrode 33 angeordnet, die diesen bedeckt.
In Fig. 4 ist auf dem Behälter 2 eine elektrisch leitende Schicht 37 angeordnet,
die von einem Schichtwiderstand 33 bedeckt ist. Auf diesem Schichtwiderstand
33 sind zwei äußere flächige Elektroden 38, 39 von einander beabstandet ange
ordnet.
Wird bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform Strom an die Elektroden 31,
32 angelegt, so fließt dieser durch die Widerstandsmasse 33, die elektrisch leiten
des Polymer umfaßt, und erwärmt diese. Die so erzeugte Wärme dringt über die
Außenwand des Behälters 2 in das Innere ein und erwärmt das darin befindliche
Medium. Durch die flächige Ausgestaltung des Widerstandsheizelementes 3 kann
die erzeugte Wärme über eine große Fläche an den Behälter und damit das Medi
um abgegeben werden.
Aufgrund der Flexibilität des Widerstandsheizelementes 3, insbesondere bei der
Ausführungsform, in der die Widerstandsmasse 33 gitterartig ist, kann sich dieses
auch an Oberflächen anlegen, die nicht eben sind. Der Behälter kann somit auch
andere Formen als die gezeigte aufweisen.
Besteht die Widerstandsmasse aus einem Gitter, dessen Fäden mit dem elektrisch
leitenden Polymer beschichtet sind, so können diese Fäden als Grundmaterial
Carbon-, Glas- oder Metallfasern oder Kunststoffasern z. B. aus Polyamid oder
Polyester umfassen. Bei der so gebildeten Widerstandsmasse bestehen die Fäden
des Gitters aus einer Mehrzahl fadenförmiger Trägermaterialien, z. B. Carbonfa
sern und bzw. oder Glas- oder Metallfasern, die in das elektrisch leitende Poly
mer eingearbeitet bzw. mit diesem beschichtet sein können. Werden Carbonfa
sern verwendet, so ist es möglich, diese sowohl zur Verstärkung als auch zur
Stromleitung zu verwenden, während beim Einsatz von Glasfasern gegebenen
falls aber auch kombiniert mit den Carbonfasern zu Erzielung einer besseren
Leitfähigkeit Metallfasern, beispielsweise aus Kupfer oder ähnlich gut leitendem
Material mit eingebettet sein können. Durch eine unterschiedliche Anzahl der in
den Gitterfäden angeordneten fadenförmigen Trägermaterialien wird eine unter
schiedliche Leitfähigkeit erreicht. Die Elektroden können als Lahnbänder ausge
staltet sein.
Bei der Ausführungsform, bei der die Widerstandsmasse gitterartig aufgebaut ist
und die Fäden des Gitters aus dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sind,
kann der Durchmesser der Fäden des Gitters, die parallel zu den Elektroden ver
laufen, kleiner als der Durchmesser der Fäden, die senkrecht zu diesen verlaufen
sein. Durch diese Querschnittsverteilung kann ein gleichmäßiger Stromdurch
gang über die gesamte Fläche der Widerstandsmasse erzielt werden. Dieser
gleichmäßige Stromdurchgang kann auch durch geeignete Wahl des Materials der
Fäden erzielt werden. Hierbei wird das Material für die Fäden, die senkrecht zu
den Elektroden verlaufen, so gewählt, daß dieses einen höheren Leitwert auf
weist, als das der parallel zu diesen verlaufenden Fäden. Der Stromfluß durch die
Fäden oder deren Beschichtung wird somit geregelt und verteilt sich ideal über
die gesamte Fläche. Als Widerstandsmasse kann auch ein Stützgewebe, z. B. aus
Kunststoff, das mit dem elektrisch leitenden Polymer auf beiden Seiten bestri
chen wurde und so durchgehende Schichten auf dem Stützgewebe erhalten wur
den, dienen.
Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie diese schematisch in
Fig. 3 dargestellt ist, durchfließt der Strom die Widerstandsmasse in Dickenrich
tung des Widerstandsheizelementes, wenn die Elektroden an eine Stromquelle
(nicht gezeigt) angeschlossen werden. Die erzeugte Wärme wird an den Behälter
und damit das Medium abgegeben. Die verwendeten Füllstoffe können Glas,
Steinwollfasern, Keramiken oder Kunststoff sein. Es liegt auch im Sinne der Er
findung, die Widerstandsschicht des Heizelements durch mit elektrisch leitendem
Polymer versehenen Glasfasern zu bilden. So kann die Widerstandsschicht bei
spielsweise eine Glasfasermatte umfassen, die mit elektrisch leitendem Polymer
durch Eintauchen getränkt wurde. Weiterhin können Widerstandschichten ver
wendet werden, die Keramikpartikel wie z. B. Barium-Titanat umfassen. Trotz
dieser Keramik kann der Temperaturkoeffizient der erfindungsgemäß verwende
ten Widerstandsmasse des elektrischen Widerstandes negativ sein.
Bei einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes
wird ein sehr geringer Einschaltstrom benötigt. Zudem regelt sich die erfindungs
gemäß verwendete Widerstandsmasse bei einer Temperatur von etwa 80°C zu
rück, so daß ab dieser Temperatur der Temperaturkoeffizient des elektrischen
Widerstandes positiv wird.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind auf der dem Behälter abge
wandten Seite zwei flächige Elektroden angeordnet und durch eine Isolation
voneinander getrennt. Diese Isolation kann durch Vorsehen eines Isolationsstückes
aus Isoliermaterial oder durch Luft erfolgen. Auf der gegenüberliegenden
Seite der Widerstandsmasse, die dem Behälter zugewandt ist, wird eine Schicht
aus elektrisch leitendem Material z. B. in Form einer Metallfolie oder Metallblech
aufgebracht. Diese elektrisch leitende Schicht wird nicht an die Stromquelle an
geschlossen. Werden bei dieser Ausführungsform die beiden flächigen Elektro
den an eine Stromquelle angeschlossen, so fließt der Strom von der einen kon
taktierten Elektrode durch die Dicke der Widerstandsmasse zu der elektrisch lei
tenden Schicht, wird in dieser weitergeleitet und fließt durch die Widerstands
masse zurück zu der zweiten kontaktierten Elektrode. Ein solcher Aufbau des
Widerstandsheizelementes bringt den Vorteil, daß dieses durch eine sehr geringe
Spannung betrieben werden kann. Die Spannung kann bis zu der Hälfte der
Spannung, die beim Aufbau mit zwei flächigen Elektroden, die die Widerstands
masse zwischen sich einschließen, benötigt wird, reduziert werden. Die Verringe
rung der Versorgungsspannung ist unter anderem auf den durch die Isolierung
zwischen den benachbarten Elektroden gebildeten Widerstand zurückzuführen.
Wird als Isolierung Luft gewählt, so wird der Widerstand durch den Abstand der
Elektroden zueinander und damit durch den Oberflächenwiderstand bestimmt.
Insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Hei
zen von Medien als Warmwasserboiler ist ein Betreiben mit sehr geringer Span
nung von besonderem Vorteil, da hierdurch das Sicherheitsrisiko minimiert wer
den kann. Die Anordnung der beiden mit der Stromquelle kontaktierten Elektro
den auf einer Seite des Schichtwiderstandes hat weiterhin zum Vorteil, daß der
Kontakt zwischen dem Behälter und der elektrisch leitenden Folie oder Blech
nicht durch Einrichtungen zur Stromversorgung gestört wird.
In Fig. 5 ist ein Widerstandsheizelement gezeigt, bei dem eine dünne Wider
standsschicht 33 vorliegt. Auf beiden Seiten der Widerstandsschicht 33 sind je
weils eine flächige Elektrode 38, 39 und mehrere leitende Schichten 37 angeord
net. Die Elektroden 38, 39 sind jeweils am gegenüberliegenden Ende der Wider
standsschicht 33 vorgesehen. Die Elektrode 38 und die leitenden Schichten 37
sind voneinander beabstandet und zu der an der gegenüberliegenden Seite der
Widerstandsschicht 33 angeordneten Elektrode 39 und den leitenden Schichten
37 versetzt. Der an die Elektroden 38, 39 angelegte Strom durchfließt bei diesem
Aufbau die Widerstandsschicht 33 und die leitenden Schichten 37 in der Rich
tung, die in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Bei diesem Stromfluß
dient die Widerstandsschicht 33 als eine Serienschaltung mehrerer elektrischer
Widerstände, wodurch eine hohe Leistung erzielt werden kann. Hierbei wird so
wohl der Widerstand in der Dicke der Widerstandsschicht 33, als auch der Ober
flächenwiderstand in den Abständen zwischen den elektrisch leitenden Schichten
37 bzw. der elektrisch leitenden Schicht 37 und der Elektrode 38 bzw. 39 genutzt.
Zudem bietet der große räumliche Abstand zwischen den Elektroden den Vorteil,
daß ein unmittelbarer Kontakt zwischen diesen vermieden werden kann. Als
Elektroden und elektrisch leitende Schichten können Metallfolien oder -bleche
dienen. Insbesondere bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des Wi
derstandsheizelementes kann die Widerstandsschicht sehr dünn sein und eine
Dicke von z. B. 1 mm aufweisen. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung das in
Fig. 5 gezeigte Widerstandsheizelement so abzuwandeln, daß beide Elektroden
auf einer Seite der Widerstandsschicht angeordnet sind. Bei dieser Ausführungs
form befinden sich die leitenden Schichten voneinander beabstandet zwischen
den an den Enden der Widerstandsschicht angeordneten Elektroden. Auf der ge
genüberliegenden Seite der Widerstandsschicht sind die leitenden Schichten dazu
versetzt und voneinander beabstandet angeordnet. Auch bei dieser Anordnung
sind somit selbst bei geringer Schichtdicke der Widerstandsschicht hohe Leistun
gen durch die Nutzung der Widerstandsschicht als Serienschaltung mehrerer Wi
derstände und der gleichzeitigen Nutzung des Oberflächenwiderstandes erzielbar.
Auch bei Widerstandsheizelementen, wie in Fig. 3 und 4, dargestellt sind
dünne Widerstandsschichten möglich. Diese müssen aber einen hochohmigen
elektrischen Widerstand aufweisen.
Zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen der Widerstandsmasse
und den Elektroden kann die Widerstandsmasse im Bereich der Elektroden mit
einer aufgespritzten Schicht aus Metall versehen sein. Bei der Ausführungsform,
bei der die Widerstandsmasse in Form einer Schicht vorliegt, wird die Oberfläche
der Schicht mit Metall bespritzt und anschließend die flächige Elektrode aufge
bracht. Ist die Masse gitterartig aufgebaut, so kann der Bereich des Gitters, durch
den sich die Elektroden erstrecken sollen, vor dem Einbringen der Elektroden mit
Metall bespritzt werden.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform können sowohl ein flächiges Wi
derstandsheizelement, bei dem der Stromfluß über die Fläche der Widerstands
masse erfolgt, als auch ein flächiges Widerstandsheizelement, das in der Dicken
richtung vom Strom durchflossen wird, eingesetzt werden. Das Widerstandsheiz
element ist so zwischen den Behältern angeordnet, daß eine möglichst große
Fläche der Außenwände der Behälter von dem Widerstandsheizelement bedeckt
wird. Beim Anlegen einer Spannung gibt das Widerstandsheizelement Wärme in
alle Richtungen ab und erwärmt somit gleichzeitig das Medium der beiden Behäl
ter. Durch diese Anordnung wird die Erwärmung einer großen Menge des Medi
ums mit geringem Stromverbrauch gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Behälter umfassen,
wobei vorzugsweise Widerstandsheizelemente so angeordnet sind, daß diese an
zwei Behälter Wärme abgeben können. Der Fluß des zu erwärmenden Mediums
kann so geführt werden, daß dieser jeweils nur einen oder mehrere Behälter
durchströmt.
Die Widerstandsmasse wirkt zudem als "schwarzer Strahler". Die Strahlung im
Infrarot-Bereich führt bei Behältern, die aus einem Material bestehen, das diese
Strahlung transmittiert, z. B. Glas oder Kunststoff, zu einer Erwärmung des Me
diums im Inneren des Behälters. Hierbei treten keine hohen Temperaturen an der
Kontaktfläche des Widerstandsheizelementes an der Außenwand des Behälters
auf. Unerwünschte Zersetzungsprozesse im Medium werden somit vermieden.
Die Tiefenwirkung des Widerstandsheizelementes hat zudem den Vorteil, daß
das Medium gleichmäßig erwärmt wird.
Die Einrichtungen zum Befüllen und Entleeren können je nach Bedarf an ver
schiedenen Stellen des Behälters angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie so an
geordnet sein, daß sie einen größtmöglichen Abstand zu den Anschlüssen der
Elektroden aufweisen. Dadurch kann auch bei eventuellen Undichtigkeiten des
Einrichtungen ein Kontakt des Mediums mit den Elektroden und daraus resultie
rende Nachteile ausgeschlossen werden. Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann
zwischen dem Widerstandsheizelement und der Außenwand des Behälters eine
elektrisch isolierende Schicht vorgesehen sein. Für diese Schicht wird vorzugs
weise Polyester, Polyimid oder Polytetrafluorethylen verwendet.
Bevorzugt hat der Behälter die Form eines Quaders, bei dem die Höhe und Länge
des Behälters groß im Verhältnis zu dessen Breite ist. Diese Form des Behälters
erlaubt bei einem flächigen Widerstandsheizelement eine große Kontaktfläche
mit dem Behälter und ein günstiges Verhältnis zwischen dieser Kontaktfläche
und dem Volumen des Behälters. Die Heizfläche ist im Verhältnis zu dem Volu
men des zu erwärmenden Mediums groß, wodurch eine schnelle und gleichmäßi
ge Erwärmung erfolgen kann. Der Behälter kann aber auch z. B. einen runden
Querschnitt aufweisen. Um diesen zylinderförmigen Behälter kann ein weiterer
Behälter, der einen ringförmigen Querschnitt hat, angeordnet sein und das Wi
derstandsheizelement in einem dadurch gebildeten Spalt zwischen den Behältern
vorgesehen sein.
Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, daß die Seitenwände des Behälters
vollständig mit dem Widerstandsheizelement bedeckt sind. Hierbei wird die
Wärme von allen Seiten in den Behälter abgegeben und das Medium schnell auf
geheizt.
Sind mehrere Behälter vorgesehen, die nacheinander von dem Medium durch
flossen werden sollen, so können diese übereinander angeordnet sein, wobei die
Einrichtung zum Entleeren des oberen Behälters an dessen Unterseite mit der
Einrichtung zum Befüllen eines darunter angeordneten Behälters an dessen Ober
seite verbunden ist. Sind die Behälter nebeneinander angeordnet, so kann der
Medienfluß über Pumpen, die außerhalb der Behälter angeordnet sein können,
bewirkt werden.
Die Behälter können aus Metall, Glas oder Kunststoff bestehen. Bevorzugt wird
Polycarbonat verwendet. Durch die geringe Temperatur am Widerstandsheizele
ment, die aufgrund der Tiefenwirkung der Widerstandsheizelemente ausreicht um
das Medium zu erwärmen, besteht selbst bei der Verwendung von Kunststoffbe
hältern keine Gefahr des Aufschmelzens des Behälters.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr geringe Gesamtdicken aufweisen.
So ist z. B. ein Warmwasserboiler mit einer Dicke von nur 8 cm mit der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung herstellbar. Diese geringe Dicke erlaubt ein Anbrin
gen der Vorrichtung z. B. hinter Verblendungen in Küchen oder Badeausstattung.
Als elektrisch leitendes Polymer können insbesondere solche Polymere verwen
det werden, die durch ein Verfahren erhalten werden, bei dem Polymer-
Dispersionen, Polymer-Lösungen oder Polymere mit Metall- oder Halbmetall
verbindungen oder deren Lösung in einer Menge versetzt werden, so daß auf ein
Polymer-Molekül annähernd ein Metall- oder Halbmetallatom kommt. Dieser
Mischung wird ein Reduktionsmittel in geringem Überschuß zugegeben oder
durch bekannte thermische Zersetzung Metall- oder Halbmetallatome gebildet.
Anschließend werden die gebildeten oder noch vorhandenen Ionen ausgewaschen
und die Dispersionslösung oder das Granulat kann mit Graphit oder Ruß versetzt
werden. Dadurch, daß eingebettete Leiterteilchen, z. B. Graphit, sich nicht berüh
ren müssen, wenn ein wie oben beschrieben hergestelltes elektrisch leitendes
Polymer verwendet wird, ist ein aus dem elektrisch leitenden Polymer mit Gra
phit hergestellter Verbundstoff nicht nur mechanisch widerstandsfähig, sondern
es ist auch die Leitfähigkeit unabhängig von einer mechanischen oder thermi
schen Beanspruchung. Diese Unabhängigkeit der Leitfähigkeit ist insbesondere
bei der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung, da sowohl mechani
sche als auch thermische Beanspruchungen des Widerstandsheizelementes an der
Erwärmungsvorrichtung wie oben beschrieben z. B. durch Ausbauchen der Behäl
ter auftreten können.
Die erfindungsgemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymere sind vorzugs
weise frei von Ionen. Wie sich gezeigt hat, besitzen Polymere, die Ionen enthal
ten, eine nur geringe Alterungsbeständigkeit bei Einwirkung von elektrischen
Strömen. Das erfindungsgemäß verwendete elektrisch leitende Polymer hingegen
ist auch bei längerer Beaufschlagung mit Strom alterungsbeständig. Als Reduktions
mittel für das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung eines erfindungs
gemäß eingesetzten elektrisch leitenden Polymers werden solche Reduktionsmit
tel verwendet, die entweder keine Ionen bilden, weil sie thermisch bei der Verar
beitung zersetzt werden, wie z. B. Hydrazin, oder mit dem Polymer selbst che
misch reagieren, wie z. B. Formaldehyd oder solche, deren Überschuß oder Reak
tionsprodukte sich leicht auswaschen lassen, wie z. B. Hypophosphite. Als Metall
oder Halbmetalle werden vorzugsweise Silber, Arsen, Nickel, Graphit oder Mo
lybdän verwendet. Besonders bevorzugt sind solche Metall oder Halbmetallver
bindungen, die durch reine thermische Zersetzung das Metall oder Halbmetall
ohne störende Reaktionsprodukte bilden. Insbesondere Arsenwasserstoff oder
Nickelcarbonyl haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Es können sowohl
elektrisch leitende Polymerisate wie Polystyrol, Polyvinylharze, Polyacrylsäure-
Derivate und Mischpolymerisate derselben, als auch elektrisch leitende Polyami
de und deren Derivate, Polyfluorkohlenwasserstoffe, Epoxyharze und Polyuret
hane erzeugt werden.
Die erfindungsgemäß verwendeten elektrisch leitenden Polymere können z. B.
hergestellt werden indem das Polymer mit 1-10 Gew.-% (bezogen auf das Poly
mer) einer Vormischung, die nach einer der folgenden Rezepturen hergestellt
wurde, versetzt wird.
1470 Gew.-Teile Dispersion von Fluorkohlenwasserpolymer (55%
Feststoff in Wasser), 1 Gew.-Teil Netzmittel, 28 Gew.-Teile Silberni
tratlösung 10%, 6 Gew.-Teile Kreide, 8 Gew.-Teile Ammoniak, 20 Gew.-Teile
Ruß, 214 Gew.-Teile Graphit, 11 Gew.-Teile Hydrazinhy
drat.
1380 Gew.-Teile Acrylharzdispersion 60 Gew.-% in Wasser, 1 Gew.-
Teil Netzmittel, 32 Gew.-Teile Silbernitratlösung 10%ig, 10 Gew.-
Teile Kreide, 12 Gew.-Teile Ammoniak, 6 Gew.-Teile Ruß, 310 Gew.-Teile
Graphit, 14 Gew.-Teile Hydrazinhydrat.
2200 Gew.-Teile dest. Wasser, 1000 Gew.-Teile Styrol (monomer),
600 Gew.-Teile Ampholytseife (15%ig), 2 Gew.-Teile Natriumpyro
phosphat, 2 Gew.-Teile Kaliumpersulfat, 60 Gew.-Teile Nickelsulfat,
60 Gew.-Teile Natriumhypophospit, 30 Gew.-Teile Adipinsäure, 240 Gew.-Teile
Graphit.
Claims (10)
1. Vorrichtung (1) zum Erwärmen von Medien, die mindestens einen Behälter
(2) zur Aufnahme des Mediums, und mindestens ein flächiges Wider
standsheizelement (3) umfaßt, wobei das Widerstandsheizelement (3) an
zumindest einem Teil der Außenseite des Behälters (2) angeordnet ist und
dessen Widerstandsmasse (33) ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider
standsheizelement (3) mindestens zwei Elektroden (31, 32) umfaßt, die sich
in Längsrichtung durch die Fläche der Widerstandsmasse (33) erstrecken,
wobei der an den Elektroden (31, 32) angelegte Strom die Widerstandsmasse
(33) senkrecht zu der Dicke der Widerstandsmasse (33) durchfließt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider
standsmasse (33) ein Gitter umfaßt, wobei die Fäden des Gitters aus einem
Kunststoff aus dem elektrisch leitenden Polymer gebildet sind oder die Fäden
des Gitters aus einem anderen Material bestehen und mit diesem Kunststoff
beschichtet sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider
standsheizelement (3) mindestens zwei flächige Elektroden (33, 34) umfaßt,
zwischen denen die Widerstandsmasse (33) in Form einer Schicht angeordnet
ist, die Elektroden (33, 34) diese zumindest teilweise bedecken und zumin
dest eine der Elektroden (33, 34) der Außenwand des Behälters (2) zuge
wandt ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwi
derstand eine Kunststoff-Matrix (35) aus dem elektrisch leitenden Polymer
und ein in der Matrix (35) fein verteiltes, thermisch und elektrisch isolieren
des Füllmaterial (36) umfaßt.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das elektrisch leitende Polymer einen positiven Temperatur
koeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß diese zwei Behälter (21, 22) umfaßt und ein Widerstandsheiz
element (3) so zwischen den Behältern (21, 22) angeordnet ist, daß die eine
Oberfläche des Widerstandsheizelementes (3) an der Außenseite des einen
Behälters (21) und die gegenüberliegende Oberfläche des Widerstandsheiz
elementes (3) an der Außenseite des anderen Behälters (22) angeordnet ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß diese mindestens zwei Behälter (21, 22) umfaßt, die so mitein
ander verbunden sind, daß das Medium die Behälter (21, 22) nacheinander
durchfließt.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß diese mindestens zwei Behälter (21, 22) umfaßt, die Einrichtungen (23,
24) aufweisen, die ein separates Befüllen und Entleeren jeweils eines Behäl
ters (21, 22) erlauben.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß diese einen Wassererwärmer darstellt.
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