DE3907179A1 - Vorrichtung zur erwaermung eines stroemenden mediums, insbesondere wasser - Google Patents
Vorrichtung zur erwaermung eines stroemenden mediums, insbesondere wasserInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden
Mediums, insbesondere Wasser, durch zumindest ein im Weg des Mediums angeordnetes
elektrisches Heizelement und mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur des
erwärmten Mediums.
Solche Vorrichtungen sind für Wasser als elektrische Durchlauferhitzer bekannt,
bei welchen das Heizelement von zumindest einer Heizspirale gebildet ist. Zur Tem
peraturregelung des Warmwassers werden die Heizspiralen in Stufen zugeschaltet oder
es wird bei unveränderter Anspeisung der Heizspiralen der Wasserdurchstrom geregelt.
Beide Varianten befriedigen häufig nicht, zumal in den meisten Fällen die Regelung
nur stufenweise erfolgt. Die verwendeten Heizspiralen bedingen außerdem eine volumi
nöse Bauweise des Durchlauferhitzers, die auf zahlreichen Anwendungsgebieten als
störend empfunden wird. Schließlich müssen die Heizspiralen, um mit hohem Wirkungs
grad wirksam zu sein, vom Wasser unmittelbar umspült sein, was die Strömungsverhält
nisse des Wassers infolge der unvermeidlichen Turbulenzen nachteilig beeinflußt.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs geschilder
ten Art kompakter, einfacher und genauer regelbar und hinsichtlich der Strömungsver
hältnisse günstiger zu machen. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das
Heizelement ein Chip ist, dessen Steuerkreis zur Temperaturregelung dient. Wie be
kannt, sind Chips elektronische Bauteile, welche eine integrierte Schaltung im
Innersten eines Plättchens enthalten, das in einen Träger eingebettet ist. Zumeist
handelt es sich um eine gedruckte Schaltung in einem Siliziumdioxydplättchen in
einem Keramikträger, der zugleich einen Schutz und eine Wärmeableitung für das die
Schaltung aufnehmende Plättchen bildet. Am Träger sind Kontaktzuleitungen ange
bracht, deren Art und Anzahl abhängig ist von der Art der integrierten Schaltung,
stets jedoch zumindest eine zu einem Steuerkreis führende Kontaktzuleitung enthält.
Im Sinne der Erfindung wird nun die durch den Chip oder die Chips entwickelte Wärme
zur Erwärmung des fließenden Mediums ausgenützt, wobei das fließende Medium seiner
seits den Chip kühlt, so daß die sonst üblichen gesonderten Kühlmaßnahmen zur
Vermeidung einer übermäßigen Erhitzung des Chips verzichtet werden kann. Besonders vorteilhaft ist bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kleinheit des Chips bzw. der aus Chips aufgebauten Heizelemente im
Vergleich zu den bisher üblichen Heizelementen, so daß sich eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art
viel platzsparender und gedrängter herstellen läßt als dies bei bekannten Vorrichtungen möglich war.
Außerdem wird durch die Kleinheit der aus den Chips bestehenden Heizelemente der Strömungswiderstand ver
ringert. Besonders vorteilhaft ist auch, daß über den Steuerkreis des Chips die Temperatur des durch die
Vorrichtung fließenden Mediums in einfacher Weise und stufenlos gesteuert werden
kann, und zwar auf elektronischem Wege, so daß nur vernachlässigbar geringe
Leistungen für diese Steuerung erforderlich sind. Natürlich läßt sich eine solche
Steuerung auch manuell bedienen, z. B. zwecks Einstellung einer gewünschten
Temperatur des strömenden Mediums.
Im Prinzip lassen sich alle bekannten Chips in der erfindungsgemäßen Weise
verwenden, wenngleich solche Chips günstiger sind, welche eine große Oberfläche auf
weisen, da auf diese Weise der Wärmeübergang begünstigt wird. Das bei bekannten
Chips zumeist angestrebte Ziel einer Verkleinerung der Abmessungen entfällt beim Er
findungsgegenstand und es ist auch nicht erforderlich, daß im Sinne der Erfindung
verwendete Chips enge Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten einhalten. Es ist
daher möglich, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung solche Chips zu verwenden,
welche aus anderen Produktionszweigen ausgesondert werden, was die
Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter senkt.
Gemäß einer bevorzugten Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die
Chips in Form von Lamellen oder Plättchen ausgebildet, deren Ebene vorzugsweise pa
rallel zur Strömungsrichtung des Mediums liegt. Die flache Bauweise von Lamellen
oder Plättchen kommt der Herstellungsweise der Chips bzw. deren üblicher Bauweise
entgegen, wobei zugleich eine große Oberfläche und damit ein guter Wärmeübergang
sichergestellt wird. Die Anordnung der Ebenen dieser Bauteile parallel zur Medium
strömungsrichtung vermeidet weitgehend die Einbringung von Turbulenzen in dieses
Medium, so daß auch nach dem Passieren der Heizelemente das Medium einen im wesent
lichen laminaren Strömungsverlauf hat. Im Sinne der Erfindung ist es hierbei vorteil
haft, in erster Linie solche Chips als Heizelemente zu verwenden, bei welchen die
Integrationsstruktur des Chips zumindest im wesentlichen die Gesamtfläche der
Lamelle bzw. des Plättchens einnimmt, da dadurch die bestmöglichsten Wärmeübergangs
verhältnisse erreicht werden. Solche lamellenförmigen Chips können viel größer ausge
bildet werden als dies bei Chips aus den erwähnten Gründen sonst üblich ist, z. B.
können lamellenförmige Chips etwa 80 bis 100 mm lang, 5 bis 6 mm breit und etwa
0,5 mm dick sein. Plattenförmige Chips können bei gleicher Länge und Dicke bis 50 mm
breit sein. Zweckmäßig ist somit die Dicke der Chips im Vergleich zu deren Länge und Breite ge
ring. Wenn die Abmessungen der zur Verfügung stehenden Chips zur Übertragung der
nötigen Wärmemenge nicht ausreichen, können mehrere Chips eine großflächige Lamelle
oder ein großflächiges Plättchen bilden.
Es können alle Schaltungsarten des Chips bzw. seiner integrierten Schaltung
verwendet werden und es können mehrere Chips auch in beliebiger Weise zusammenge
schaltet werden. Es kann daher ein Heizkörper aus bereits existierenden Halbleiter
elementen, etwa Leistungstransistoren kleinerer Abmessungen (je etwa 6 bis 7 mm) zusammengestellt
werden, wobei natürlich monolithisch durch Großintegration gefertigte, großflächige Einheiten der
Chip-Heizwiderstände die beste räumliche und elektrische Lösung darstellen. Die erwähnten Schaltungen
können z. B. Voll- oder Halbwellenschaltungen umfassen, wobei sowohl eindirektionale als auch
bidirektionale Chip-Heizwiderstad-Einheiten, vorzugsweise in Form von Plättchen, Lamellen, Scheiben
od. dgl. verwendbar sind. Ein Heizblock für Wechselstrom sollte im ersten Fall aus
einer geraden Anzahl entsprechend angeordneter Einheiten bestehen, im zweiten Fall
kann die Einheitenanzahl beliebig gewählt werden. Vorzugsweise sind bidirektionale
Chips mit einer durch Integration erzielten gleichmäßigen Verteilung parallel
geschalteter Transistoren über die gesamte Fläche der Einheit vorgesehen, da sich
für eine solche Bauweise eine augenblickliche Heizleistung des aus solchen Einheiten
zusammengestellten Heizblockes stets über die gesamte Fläche der Einheiten in
gleichmäßiger Verteilung ergibt. Antiparallele integrierte Schaltungen der einzelnen Transistoren
sind dann erforderlich, wenn die gewählten Bausteine ihrem Wesen nach, z. B. als
bipolarer Transistor, eindirektional sind. Es lassen sich so bei bidirektionalen
Bausteinen durch eine entsprechende Parallel-Serienschaltung und bei eindirektio
nalen Bausteinen durch eine Antiparallel-Serienschaltung der einzelnen
Mikrotransistoren jeweils die gewünschten Widerstandsgrößen der
Heizwiderstands-Einheiten erzielen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bausteine zumindest
eines Chips auf einem metallischen Träger angebracht, welcher zugleich als eine
Leistungselektrode dient und vorzugsweise einen Teil des Mantels bildet. Dadurch
wird eine rasche, vollständige Wärmeabgabe an das zu erwärmende Medium
gewährleistet. So kann beispielsweise eine Seite aus einer Metallplatte bestehen,
wogegen die andere Seite des Chips von einer Isolierschicht gebildet ist, die mit
einer Metallplatte bedeckt ist. Beide Metallplatten zusammen bilden dann einen
Metallmantel, es ist somit dann der Chip gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung in einem Metallmantel dicht eingeschlossen, welcher einen guten
Wärmeübergang sicherstellt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann im Steuerkreis der Chips ein
Temperatur- und/oder Druckfühler als Überhitzungs- bzw. Überdruckschutz bzw.
Schutz bei Verringerung der Durchflußmenge eingeschaltet sein, welcher bei
vorgegebener Maximaltemperatur bzw. bei vorgegebenem Maximaldruck bzw. bei
vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit anspricht und den Chip elektrisch
sperrt. Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es somit, die Chips selbst als
Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässig hohe Temperatur, gegen unzulässig hohen
Druck und gegen unzulässig niedrige Strömungsgeschwindigkeit auszubilden. Hierbei
ist es von Vorteil, wenn der Temperatur- und/oder Druckfühler aus einem Material
besteht, welches einen Phasenübergang Isolator oder Halbleiter-Metall oder einen
umgekehrten Phasenübergang bei vorgegebener Maximaltemperatur und/oder bei
vorgegebenem Maximaldruck und/oder bei vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit besitzt.
Zweckmäßig weist hierbei der Steuerkreis der Chips Steuerelektroden mit Metallisierungsschichten auf,
die aus einem Material bestehen, welches einen Phasenübergang Metall-Isolator (oder Halbleiter) bei
vorgegebener Maximaltemperatur und/oder vorgegebenem Maximaldruck besitzt.
Damit die erforderlichen Steuervorgänge in den Chips auf einfache Weise durch
geführt werden können, besteht erfindungsgemäß der Temperatur- und/oder Druckfühler
aus einem Material mit einer Permeabilität und/oder Polarisation und/oder einem
Widerstand, daß bei vorgegebener Maximaltemperatur bzw. vorgegebenem Maximaldruck
bzw. vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden Me
diums der Steuerkreis der Chips, vorzugsweise abrupt bzw. mit einem sehr scharfen
Sprung, anspricht. Bei dieser Ausführungsform kann ein ausreichend scharfer Sprung
dieser Größen (wegen eines reversiblen Phasenüberganges) sehr günstig als Schutz ge
gen Überhitzung, Überdruck und unzulässiger Verringerung der Durchflußgeschwindig
keit des zu erwärmenden Mediums ausgenutzt werden, wenn der Sprung entsprechend
einem vorbestimmten Wert der Maximaltemperatur und/oder des Maximaldruckes und/oder
der minimalen Durchflußgeschwindigkeit erfolgt. Bei im wesentlichen linearer
Temperatur- und/oder Druckabhängigkeit dieser Größen können diese im Arbeitsbereich der Vorrichtung zur
automatischen Stabilisierung gegen verschiedene destabilisierende Faktoren und/oder zur Aufrechterhaltung
einer manuell voreingestellten Temperatur des Mediums dienen.
Es ist auch möglich, mehrere Druckfühler anzuordnen und durch eine Differentialschaltung der
Druckfühler einen Druckdifferenzfühler zu bilden, mit welchem Druckdifferenzen erfaßt werden können.
Vorzugsweise werden Druckfühler bzw. Druckdifferenzfühler verwendet, die eine im
wesentlichen lineare Kennlinie zur Steuerung der Heizleistung aufweisen, so daß bei
einer höheren Durchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden Mediums die
Heizleistung vergrößert wird. Auf diese Weise wird eine Konstanthaltung der Ab
gabetemperatur des zu erwärmenden Mediums erzielt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Druckfühler bzw. Druck
differenzfühler verwendet, die eine im Bereich zwischen einem vorbestimmten Maximal
druck und einem vorbestimmten Minimaldruck und/oder in einem vorbestimmten
Durchflußgeschwindigkeitsintervall eine im wesentlichen lineare Kennlinie aufweisen,
die bei der Permeabilität und/oder der Polarisation und/oder des Widerstandes bei
diesem Maximaldruck und/oder Minimaldruck und/oder der Minimaldruchflußgeschwindig
keit einen abrupten bzw. sehr scharfen Sprung besitzt.
Die Fühler könen auch aus einem Material gebildet sein, bei dem eine oder
mehrere der Kenngrößen (Permeabilität, Polarisation, Widerstand) in beliebiger
Kombination temperatur- und druckabhängig sind, wobei deren Kennlinien im
notwendigen Bereich im wesentlichen eine lineare Abhängigkeit besitzen und die
gewünschten Sprünge bei Maximaltemperatur bzw. Maximaldruck bzw.
Minimaldurchflußgeschwindigkeit besitzen.
Es kann auch eine Schaltung des Steuerkreises vorgesehen sein, die den ganzen
Heizblock in Abhängigkeit von der Sprungrichtung der erwähnten Größen bei Maximal
temperatur bzw. Maximaldruck bzw. Minimaldurchflußgeschwindigkeit des zu erwärmenden
Mediums augenblicklich elektrisch sperrt bzw. öffnet. Die Sprungrichtung ist natür
lich durch die Änderungsrichtung von Tempeatur, Druck und Durchflußgeschwindigkeit
festgelegt.
Abgesehen von der Anordnung der flachen Heizelemente (Plättchen, Lamellen,
Scheiben od. dgl.) mit ihrer Ebene parallel zur Strömungsrichtung des Mediums beste
hen keine besonderen Vorschriften für die Anordnung der Heizelemente im Strömungs
weg. In vielen Fällen ist eine Bauweise zweckmäßig, bei welcher in einem Gehäuse,
welches zumindest einen Strömungskanal für das Medium bildet, die die Chips tragen
den Plättchen bzw. Lamellen in Halterungen im Strömungskanal bzw. in den Strömungs
kanälen gehaltert sind, wobei die Plättchen bzw. Lamellen vom Medium beidseitig be
aufschlagt sind. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige Bauweise.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand von Ausführungsbei
spielen schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Heizvorrich
tung für ein strömendes Medium in schaubildlicher Darstellung, teilweise im Schnitt.
Fig. 2 ist eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 von oben.
Fig. 3 zeigt eine andere
Ausführungsform in einem Vertikalschnitt.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist ein festes Gehäuse 3 vorgese
hen, in welches das zu erwärmende Medium, insbesondere Wasser durch einen Anschluß
stutzen 4 in Richtung des Pfeiles 9 eingeleitet wird. In das Gehäuse 3 ist ein Trä
gerkörper 2 eingesetzt, der im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet ist und eng
in das hohlzylindrische Gehäuse 3 paßt. Der Trägerkörper 2 hat an seinem Mantel meh
rere in Axialrichtung verlaufende und in gleichen Abständen voneinander angeordnete
Längsnuten 10, welche Strömungskanäle für das zu erwärmende Medium bilden und am
unteren Stirnende des Gehäuses 3 mit dem Anschlußstutzen 4 in Verbindung stehen.
Jede dieser Längsnuten 10 hat an ihrem Boden eine rillenförmige Vertiefung 11, wel
cher eine ähnliche Vertiefung 12 an der inneren Oberfläche des Gehäuses 3 gegenüber
liegt. In jeweils eine dieser Vertiefungen 11, 12 ist ein als Plättchen 1 ausgebilde
tes Heizelement eingesetzt, wobei dieses Plättchen 1 von den Vertiefungen 11, 12 ge
halten wird und auf diese Weise mittig im jeweiligen von der Längsnut 10 gebildeten
Strömungskanal angeordet und solcherart beidseitig vom strömenden Medium beauf
schlagt ist. Jedes Plättchen 1 ist als lamellenförmige Chip-Heizwiderstand-Einheit
ausgebildet. Die nicht dargestellten Anschlüsse (Eingangselektrode, Ausgangselektro
de, Steuerelektrode) der einzelnen Plättchen 1 bzw. ihrer Chips sind im Inneren des
Gehäuses 1 zusammengefaßt und durch nicht dargestellte Öffnungen abgedichtet aus dem
Gehäuse 3 hinausgeführt. Am oberen Stirnende des Gehäuses 3 befindet sich eine nicht
dargestellte Sammelkammer, in welche die einzelnen, von den Längsnuten 10 gebildeten
Strömungskanäle münden und aus der das Medium durch einen Stutzen abgeführt wird.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Gehäuse 3 schachtelförmig ausgebil
det, seine Vorderwand ist der besseren Darstellungsmöglichkeit halber abgeschnitten.
In das Gehäuse 3 wird das zu erwärmende Medium durch den Stutzen 4 eingeleitet und
oben durch einen an der Deckenwand des Gehäuses 3 angeordneten Stutzen 5 abgeleitet.
Im Hohlraum des Gehäuses 3 sind mehrere Plättchen 1 als Heizelemente parallel zu
einander und in Abstand voneinander so angeordnet, daß die Ebenen der Plättchen 1
jeweils in der Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums liegen. Die einzelnen
Plättchen 1 sind mittels geeigneter Halterungen 6 oben und unten starr gehalten, wo
bei sich die Unter- und Oberkanten der Plättchen 1 in Abstand von der Bodenwand bzw.
Deckwand des Gehäuses 3 befinden, so daß das zugeführte Medium sich auf alle zwi
schen den Plättchen 1 gebildeten Strömungskanäle gleichmäßig verteilen kann. Zweck
mäßig sind hierzu auch die Längsränder der einzelnen Plättchen 1 in Abstand von den
ihnen benachbarten Seitenwänden des Gehäuses 3. Jedes Plättchen 1 ist mit drei An
schlüssen versehen, wobei die einzelnen Plättchen einander parallelgeschaltet sind
und die gemeinsamen Zuleitungen zu einer Anschlußleiste 7 geführt sind. 8 ist der
Anschluß für die Steuerelektrode jedes Plättchens 1, 13 sind die Anschlüsse für die
Heizwiderstandseinheiten der einzelnen Chips der Plättchen 1. Die einander identi
schen Heizwiderstände der Plättchen 1 sind hier als integrierte bidirektionale Lei
stungstransistoren ausgeführt und einander parallelgeschaltet.
Selbstverständlich kann die Anschlußleiste 7 auch an jener Seite des Gehäuses 3 angeordnet werden,
an welcher der Anschlußstutzen 4 bzw. der Auslaufstutzen 5 liegen.
Die Plättchen 1 der Chip-Heizwiderstände bieten außerordentlich günstige Mög
lichkeiten zur Gestaltung der im Chip selbst integrierten Überhitzungs- bzw. Über
druckschutzsysteme. So kann z. B. ein Kaltleiterwiderstand oder eine Schicht aus
Piezoferroelektrikum im Chip integriert werden. Solche Schutzsysteme erfordern kei
nen zusätzlichen Raum und sind außerordentlich zuverlässig. In solchen Fällen muß
lediglich der Mantel des Chips entsprechend ausgeführt werden. Weitere außerordent
lich günstige Möglichkeiten zur Gestaltung trägheitsloser Schutzsysteme sind folgen
de. Man kann die Metallisierungsschichten der Steuerelektroden, wie z. B. Gates, der
Mikrostruktur eines Chip-Heizwiderstandes aus einem Material fertigen, welches einen
Phasenübergang Metall-Isolator oder Metall-Halbleiter bei einer vorbestimmten Maxi
maltemperatur und bzw. oder bei einem vorbestimmten Maximaldruck besitzt. Erreicht
die Temperatur bzw. der Druck des zu erwärmenden Mediums diesen vorgegebenen maxima
len Temperaturwert bzw. Druckwert, so wird die Leitfähigkeit der Metallisierungs
schichten plötzlich um einige Größenordnungen verringert und das Chip wird gesperrt.
Anstelle dessen bzw. in Ergänzung dazu können natürlich auch die Metallisierungs
schichten der Leistungselektroden, wie z. B. Sources und Drains, der Mikrostruktur
eines Chips in ähnlicher Weise gefertigt werden.
Man kann auch eine Kombination aus den beschriebenen Möglichkeiten ausnutzen. So
können z. B. die Metallisierungsschichten der Leistungselektroden eines Chips einen
temperaturabhängigen Phasenübergang besitzen, wogegen die Metallisierungsschichten
seiner Steuerelektroden einen druckabhängigen Phasenübergang besitzen.
Die beschriebenen Überhitzungsschutzsysteme erfordern aber einen Null-Tempe
raturgradienten im Raum, in welchem das Medium erhitzt wird. Daher ist es notwendig,
für eine gute Vermischung des Mediums im Innenraum des Gehäuses 3, in welchem das
Medium erhitzt wird, sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist es günstig, das Medium in
den Raum, in welchem es erhitzt wird, einzuspritzen. Die Stärke der Einspritzung be
stimmt dann die Intensität der Mediumzirkulation. Zur Erzeugung einer ausreichend
starken Einspritzwirkung können in der Mündung, mit welcher der Einlaßstutzen 4 in
das Gehäuse 3 mündet, eine oder mehrere Düsen vorgesehen sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anordnung eines temperatur- und/oder
druckempfindlichen Fühlers, welcher einen Phasenübergang Isolator (oder Halbleiter)-
Metall bei vorgegebener Maximaltemperatur bzw. vorgegebenem Maximaldruck bewirkt.
Solche Fühler können im Kreis der Steuerelektrode eines Chips so eingeschaltet wer
den, daß bei einem Ansprechen eines solchen Fühlers das Chip gesperrt wird. Solche
Fühler können natürlich auch im Chip selbst integriert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl als unter Druck stehendes als auch
als druckloses Gerät ausgeführt sein. Im ersten Fall ist ein Absperrorgan zur Steue
rung der Entnahme des erwärmten Mediums an der Entnahmeseite vorgesehen, im zweiten
Fall befindet sich das Absperrorgan an der Zufuhrseite des zu erwärmenden Mediums.
Aus Sicherheitsgründen ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß die Heizelemente
nur dann in Funktion sind, wenn die Durchflußgeschwindigkeit und die Entnahmemenge
des Mediums pro Zeiteinheit einen vorbestimmten Wert überschreiten. Hierzu können
verschiedene, teilweise bekannte Maßnahmen ergriffen werden. Am günstigsten wird ein
solcher Schutz jedoch durch die beschriebenen Temperatur- und/oder Druckfühler er
zielt.
Selbstverständlich ist es möglich, im Steuerkreis eine Einrichtung zur manuel
len Einstellung einer gewünschten Maximaltemperatur sowie automatische oder manuelle
Netzschalter und automatische oder manuelle Stufenumschalter, insbesondere für den
Sommer/Winterbetrieb vorzusehen.
Zum Schutz der Kontakte des Netzschalters und jener des Stufenumschalters
können alle Chips mittels des Steuerkreises kurz vor der Betätigung dieser Kontakte
gesperrt und erst kurz nach erfolgter Betätigung dieser Kontakte wieder geöffnet
werden.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften
Verbindung mit einem Elektrodendurchlauferhitzer zur Herstellung eines Hybrid-Gerä
tes dienen.
Natürlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für dreiphasiges Netz
gebaut werden.
Claims (28)
1. Vorrichtung zur Erwärmung eines strömenden Mediums, insbesondere Wasser,
durch zumindest ein im Weg des Mediums angeordnetes elektrisches Heizelement, und
mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur des erwärmten Mediums, dadurch
gekennzeichnet, daß das Heizelement (Plättchen 1) zumindest ein Chip ist, dessen
Steuerkreis (Anschluß 8) zur Temperaturregelung dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips in Form
von Lamellen oder Plättchen (1) ausgebildet sind, deren Ebene vorzugsweise parallel
zur Strömungsrichtung des Mediums (Pfeil 9) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrations
struktur des Chips bzw. der Chips die Gesamtfläche der Lamelle bzw. des Plättchens
(1) einnimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bidi
rektionale Chips vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Chips eine großflächige Lamelle oder ein großflächiges Plättchen (1) bilden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der Chips im Vergleich zu deren Länge und Breite gering ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bausteine zumindest eines Chips auf einem metallischen Träger angebracht sind,
welcher zugleich als eine Leistungselektrode dient und vorzugsweise einen Teil des
Mantels bildet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest ein Chip in einem Metallmantel eingeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis des
Chips ein Temperatur- und/oder Druckfühler als Überhitzungs- bzw. Überdruckschutz
bzw. Schutz bei Verringerung der Durchflußmenge eingeschaltet ist, welcher bei vor
gegebener Maximaltemperatur (t max ) bzw. bei vorgegebenem Maximaldruck (p max )
bzw. bei vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden
Mediums anspricht und den Chip elektrisch sperrt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-
und/oder Druckfühler aus einem Material besteht, welches einen Phasenübergang Isola
tor oder Halbleiter-Metall oder einen umgekehrten Phasenübergang bei vorgegebener
Maximaltemperatur und/oder vorgegebenem Maximaldruck und/oder bei vorgegebener
Minimaldurchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden Mediums besitzt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis
der Chips Steuerelektroden mit Metallisierungsschichten aufweist, die aus einem Ma
terial bestehen, welches einen Phasenübergang Metall- Isolator (oder Halbleiter) bei
vorgegebener Maximaltemperatur und/oder vorgegebenem Maximaldruck besitzt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-
und/oder Druckfühler aus einem Material mit einer Permeabilität (ε) und/oder Polarisation (P) und/oder
einem Widerstand (R) besteht, daß bei vorgegebener Maximaltemperatur (t max ) bzw. vorgegebenem
Maximaldruck (p max ) bzw. vorgegebener Minimaldurchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden
Mediums der Steuerkreis des Chips, vorzugsweise abrupt bzw. mit einem sehr scharfen Sprung, anspricht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallisierungsschichten der Leistungselektroden der Mikrostruktur und/oder des metallischen Träger jedes
Chips des Heizblocks aus einem Materal gefertigt ist, welches einen Phasenübergang Metall-Isolator oder
Halbleiter bei vorbestimmter Maximaltemperatur (t max ) und/oder vorbestimmtem Maximaldruck (p max )
und/oder vorbestimmter Minimaldurchflußgschwindigkeit (v min ) besitzt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallisierungsschichten der Steuerelektroden und/oder der Leistungselektroden und die metallischen
Träger der Chips je einen druck- und/oder temperaturabhängigen Phasenübergang Metall-Isolator oder
Halbleiter besitzen und in beliebiger Kombination einen gemeinsamen Temperaturfühler und/oder einen
gemeinsamen Druckfühler bilden.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Druckfühler
angeordnet sind und durch eine Differentialschaltung der Druckfühler ein Druckdifferenzfühler gebildet
ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler bzw.
Druckdifferenzfühler eine im wesentlichen lineare Kennlinie zur Steuerung der Heizleistung aufweisen, so
daß bei einer höheren Durchflußgeschwindigkeit des strömenden, zu erwärmenden Mediums die Heizleistung
vergrößert wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfühler bzw. Druckdifferenz
fühler eine im Bereich zwischen einem vorbestimmten Maximaldruck (p max ) und/oder einem vorbestimmten
Minimaldruck (p min ) und/oder einem vorbestimmten Durchflußgeschwindigkeitsintervall im wesentlichen li
neare Kennlinie aufweisen, die bei der Permeabilität (ε) und/oder der Polarisation (P) und/oder des Wi
derstandes (R) bei diesem Maximaldruck (p max ) und/oder Minimaldruck (p min ) und/oder der Minimaldurch
flußgeschwindigkeit einen abrupten bzw. sehr scharfen Sprung besitzt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur- und/oder Druckfühler in den Chips integriert sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
der Mantel der Chips an jenen Stellen, wo ein Druckfühler integriert ist, eine Öff
nung zur unmittelbaren Druckaufnahme durch den Druckfühler aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen
durch eine elastische, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisende Abdeckung dicht ver
schlossen sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die in einem Chip integrierten Druck- und/oder Temperaturfühler wenigstens eine,
vorzugsweise beide wirksamen Seitenflächen des Chips einnehmen.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß
der Steuerkreis des Heizblocks eine Einrichtung für Handtemperaturregelung und eine
Einrichtung für automatische Aufrechterhaltung der manuell eingestellten Temperatur
aufweist und der Leistungskreis des Heizblocks einen manuellen bzw. automatischen
Netzschalter und bzw. oder einen manuellen bzw. automatischen Stufenumschalter
(insbesondere für den Sommer/Winterbetrieb) aufweist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der
Kontakte des Netzschalters und jener des Stufenumschalters alle Chips mittels des
Steuerkreises kurz vor der Betätigung dieser Kontakte gesperrt und kurz nach er
folgter Betätigung dieser Kontakte wieder geöffnet werden.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß
in einem Gehäuse (3), welches zumindest einen Strömungskanal für das Medium bildet,
die die Chips tragenden Plättchen (1) oder Lamellen in Halterungen in den Strömungs
kanal bzw. in den Strömungskanälen gehaltert sind, wobei die Plättchen (1) bzw. La
mellen vom Medium beidseitig beaufschlagt sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs
kanäle von Längsnuten (10) im Mantel eines Trägerkörpers (2) gebildet sind, der in
das Gehäuse (3) eingesetzt ist, wobei die Plättchen (1) oder Lamellen in den Längs
nuten (10) mittig gehaltert sind (Fig. 1, 2).
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen
für die Plättchen (1) oder Lamellen von Vertiefungen (11, 12) des Bodens der Längsnut
(10) und der inneren Oberfläche des Gehäuses (3) gebildet sind.
27. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (1)
oder Lamellen in das Gehäuse (3) parallel zueinander und im Abstand voneinander
eingesetzt sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß
das zu erwärmende Medium in das die Heizelemente aufnehmende Gehäuse (3) mittels zu
mindest einer an der Zufuhrseite angeordneten Düse zwecks gleichmäßiger Verteilung
und gegebenenfalls guter Vermischung im Gehäuse eingespritzt wird.
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