ITVI940068A1 - Termoriscaldatore compatto ad immersione, particolarmente per acquari. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione ha per oggetto un termoriscaldatore compatto, particolarmente ma non esclusivamente per acquari. Il termoriscaldatore secondo l'invenzione può trovare applicazione anche in altri settori tecnici come quelli dei laboratori e negli studi fotografici ove è necessario scaldare e mantenere un certo volume di liquido a temperatura sostanzialmente costante.

I tradizionali termoriscaldatori sono generalmente costituiti da un involucro tubolare di vetro a forma di provetta che alloggia al suo interno due componenti essenziali, cioè un elemento scaldante elettrico collegato in serie ad un termostato, un circuito elettrico per collegare l'elemento scaldante ad una sorgente esterna di energia elettrica ed un regolatore del termostato accessibile dall'esterno da parte di un utilizzatore.

Esempi di termoriscalatori del tipo sopra indicato

sono descritti nei brevetti USA no. 3.895.217, 4.072.847, 4.124.793, 4.149.067, 4.255.648, 4.812.626, nel brevetto svizzero no. 269723, nei brevetti europei no. 0 022 149, 0 247 676 e nelle domande italiane di modello di utilità no. 61949 B/85 e 30694 B/86.

In tutte queste anteriorità, l'elemento scaldante è generalmente costituito da una resistenza elettrica alloggiata nella parte inferiore dell'involucro, mentre il termostato è formato da un elemento sensibile comprendente una lamina bimetallica montata su un adeguato supporto sistemato nella parte superiore della provetta .

La resistenza elettrica è mantenuto ad una certa distanza dalla parete in vetro della provetta, generalmente maggiore di un millimetro, per proteggerla contro shock termici e per soddisfare la normativa di sicurezza relativa ai dispositivi elettrici a contatto con i liquidi.

Da questa disposizione tradizionale deriva tutta una serie di inconvenienti.

Innanzitutto, lo scambio termico tra l'acqua e la resistenza avviene solo per convezione ed irraggiamento, con conseguente limitazione del rendimento termico del dispositivo. Inoltre, per dissipare potenze significative è necessario creare salti termici molto elevati, dell'ordine di alcune centinaia di gradi centigradi, con conseguente innalzamento della temperatura massima del dispositivo.

Per determinare la chiusura del circuito, la lamina bimetallica viene tarata con la resistenza spenta, quindi effettivamente sensibile alla temperatura dell'acqua.

A causa dello sfalsamento longitudinale dell'elemento scaldante rispetto al termostato, è inevitabile che parte del calore sviluppato dal primo fluisca verso l'alto al secondo, e quindi l'apertura del circuito avviene non tanto in risposta alla temperatura del mezzo scaldato quanto a causa del calore proveniente direttamente dalla resistenza. L'apertura avviene ad una temperatura di alcuni gradi più alta di quella di chiusura, tipicamente di una decina di gradi. Questo intervallo può essere controllato mediante un contatto a magnete che attrae una placchetta in ferro posta all'estremità della lamina bimetallica. Il magnete trattiene il contatto fino a che la lamina si è incurvata oltre un certo limite che può essere regolato a piacere con vari sistemi, variando corrispondentemente la temperatura di apertura .

Se l'apertura fosse dovuta solo al calore proveniente dall'acqua, la temperatura del mezzo scaldato dovrebbe oscillare entro un ampio intervallo, compreso tra le temperature di chiusura e di apertura del bimetallo. Poiché, invece, in apertura il bimetallo risente direttamente della temperatura del sistema riscaldante, la temperatura dell'acqua oscilla tra quella di chiusura del bimetallo ed una leggermente superiore. Questa temperatura è tanto più prossima a quella di chiusura quanto maggiore è il flusso di calore dalla resistenza alla lamina bimetallica. Al limite, la lamina bimetallica apre e chiude continuamente il circuito, poiché il calore fornito da quest'ultima tende a deformarla immediatamente. Così, si avrebbe un ottimo controllo della temperatura ma sarebbe richiesto un tempo lunghissimo per scaldare l'acqua ed il numero di aperture e chiusure diverrebbe eccessivo per la vita dei contatti. Per contrastare questo fenomeno, in pratica si interpone tra l'elemento scaldante ed il termostato un elemento termicamente isolante o tappo termico, inserito in posizione intermedia nella provetta, che serve a limitare il flusso di calore verso il termostato.

Da questa disposizione consegue che la lunghezza totale dei termoriscaldatori è almeno pari alla somma delle lunghezze dei singoli componenti, cioè del termostato, del tappo e dell'elemento scaldante. Questo maggiore ingombro costituisce una evidente limitazione specie per gli acquari di bassi fondali, ad esempio per tartarughine acquatiche.

Un altro inconveniente dei noti dispositivi consiste nella difficoltà di regolazione del termostato a causa del fatto che il suo elemento sensibile è sollecitato da una sorgente di calore ad alta temperatura, che di per sè è difficilmente controllabile. Inoltre, al variare della potenza del sistema scaldante varia la potenza specifica trasmessa all'elemento sensibile, e quindi è necessario tarare in modo corrispondente la distanza tra il magnete e la bilamina sensibile a mezzo di una vite che regola la distanza relativa dei contatti agendo sulla posizione di uno dei due. Solo così si può ottenere che l'intervallo di tempo tra apertura e chiusura del contatto sia costante pur variando la potenza. In pratica, è necessario approntare termostati con tarature differenziate per coprire tutti i campi di potenza.

Un ulteriore inconveniente risiede nel fatto che la resistenza lavora ad alta temperatura, e pertanto non può essere posta direttamente a contatto col vetro per evitare rotture da shock termico ed in accordo con le normative di sicurezza che impongono un doppio isolamento elettrico e termico. Così, le resistenze tradizionali devono essere distanziate dalla superficie interna della provetta mediante supporti adeguati, per esempio in steatite, di notevole costo.

Per ultimo, si osserva che i tradizionali termoriscaldatori hanno una struttura piuttosto complessa e costosa, anche per la presenza di scale e targhette che devono essere montate in posizioni predeterminate con metodi assolutamente manuali.

La presente invenzione si propone di superare gli inconvenienti sopra lamentati realizzando in generale un termoriscaldatore compatto, affidabile e sicuro.

Uno scopo particolare è quello di realizzare un termoriscaldatore che presenti una lunghezza complessiva inferiore a quella dei tradizionali termoriscaldatori presenti sul mercato a parità di diametro esterno, in modo da essere utilizzato agevolmente anche per bassi fondali.

Un altro scopo è quello di realizzare un termoriscaldatore di elevata sensibilità e prontezza, con taratura standard per tutte le gamme di potenza.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare un termoriscaldatore con rendimento termico maggiore di quelli del passato.

Un altro scopo ancora è quello di realizzare un termoriscaldatore che lavori a bassa temperatura in modo da accrescerne la sicurezza intrinseca.

Non ultimo scopo è quello di realizzare un termoriscaldatore di struttura relativamente semplice ed economica.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti da un termoriscaldatore in accordo con la rivendicazione 1.

Le rivendicazioni dipendenti illustrano forme di realizzazione particolari del termoriscaldatore secondo il trovato.

Grazie al fatto che l'elemento scaldante è longitudinalmente sovrapposto e radialmente sfalsato rispetto al termostato, la lunghezza totale del termoriscaldatore coincide approssimativamente con quella del componente di massima lunghezza.

La disposizione dell'elemento scaldante intorno al termostato migliora la sensibilità del dispositivo e la sua efficacia termica.

Inoltre, l'uso di un elemento scaldante laminare forzato contro la superficie interna dell'involucro aumenta il rendimento termico e riduce i consumi di corrente .

La sicurezza del dispositivo è inoltre accresciuta dall'uso di un riscaldatore a PTC con strato di fondo ad elevata conducibilità termica e bassa conducibilità elettrica.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita di un termoriscaldatore secondo il trovato, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento alle unite tavole di disegno in cui:

la FIGURA 1 rappresenta una vista laterale parzialmente sezionata di un termoriscaldatore secondo il trovato immerso in un liquido;

la FIGURA 2 rappresenta una vista generale prospettica in esploso di un termoriscaldatore secondo il trovato;

la FIGURA 3 rappresenta una vista in sezione in scala ingrandita di un particolare della Fig. 1;

la FIGURA 4 rappresenta una vista in pianta di un particolare della Fig.l.

Con riferimento alle figure citate, è illustrato un termoriscaldatore secondo il trovato indicato globalmente con il numero di riferimento 1, il quale comprende generalmente un involucro esterno 2 a forma di provetta a bulbo al cui interno sono alloggiati un termostato 3 ed un elemento scaldante 4.

La forma e la struttura del termostato 3 corrispondono di massima a quella illustrata e descritta nella domanda di brevetto europea no. 0460 298 di titolarità dello stesso richiedente.

Nell'esempio illustrato, il termostato 3 è del tipo a bilamina e comprende un telaio 5 in materiale sintetico termicamente resistente che supporta da un lato una lamina bimetallica 6 di forma allungata che costituisce l'elemento sensibile alle variazioni di temperatura .

La lamina 6 porta ad un'estremità libera un contatto elettrico 7 affacciato ad una piastrina magnetica, non visibile nei disegni e di tipo convenzionale, che presiede alla chiusura di un circuito di alimentazione esterno, di cui sono visibili nella Fig. 2 i capicorda 8, 9.

Dal lato opposto del supporto o telaio 5 è previsto un organo di regolazione 10 a vite senza fine che trascina longitudinalmente un indice mobile lungo una scala 11 ed obbliga a ruotare un bilanciere, non illustrato nei disegni, che serve a fare variare l'inflessione della lamina stessa 6 e quindi la sua forza di distacco dalla piastrina magnetica. Ad una estremità del supporto 5 è posto un tappo di chiusura Il dell'involucro dal quale sporge una manopolina 12 montata sull'asse della vite 10 per consentirne la manovra da parte di un utilizzatore.

All'estremità opposta del supporto 5 sono previsti contatti 13, 14 per l'alimentazione dell'elemento scaldante 4.

La parete esterna del termostato 3 è leggermente distanziata dalla superficie interna dell'involucro in modo da lasciare perifericamente uno spazio o intercapedine di forma approssimativamente toroidale.

Secondo il trovato, l'elemento scaldante 4 è montato in posizione radialmente sfalsata e longitudinalmente sovrapposta al termostato 3. Preferibilmente, l'elemento scaldante 4 ed il termostato 3 hanno lunghezza uguale o simile e leggermente inferiore a quella dell'involucro 2.

Opportunamente, l'elemento scaldante 4 è un componente resistivo di struttura essenzialmente laminare con spessore estremamente ridotto. In particolare il componente resistivo è formato da un supporto laminare flessibile 15 elettricamente isolante e termicamente resistente, ad esempio di Mylar o Kevlar, avente spessore di alcuni decimi di millimetro, sul quale è ancorato, con la tecnica della serigrafia normalmente usata per i circuiti stampati, uno strato 16 di una materiale elettricamente resistivo.

Preferibilmente, tale materiale può essere un inchiostro PTC del tipo descritto nella domanda di brevetto no. VI94A00004 a nome dello stesso richiedente.

Lo strato 16, avente spessore simile o inferiore a quello del supporto 15, è disposto in aree predeterminate, ad esempio secondo strisce 17 di larghezza appropriata in modo da formare un certo numero di resistenze collegate in parallelo a piste elettroconduttrici 18 in inchiostro di argento. Le piste 18 presentano connettori 19, 20 per il collegamento con i terminali 13, 14 del termostato.

Per aumentare la sensibilità del termostato, le strisce 17 sono posizionate in modo da risultare almeno in parte direttamente affacciate o adiacenti no all’elemento sensibile 6 del termostato, come chiaramente visibile nella Fig.l.

Il tipo di inchiostro PTC e la dimensione numero delle strisce 17 è tale che la temperatura massima raggiungibile dall'elemento scaldante non ecceda mai una temperatura massima di sicurezza, ad esempio compresa tra 70° e 100°, anche in caso di assenza del liquido esterno da scaldare. Così, in caso di brusca emersione del termoriscaldatore, per mancanza d'acqua o per altre cause accidentali, non porterà mai alla bruciatura dell’elemento scaldante e risulterà anche più sicura per gli utilizzatori.

Vantaggiosamente, almeno una parte dello strato 16 di dell’inchiostro PTC viene serigrafato in modo da rappresentare una scala graduata, eventuali dati di targa ed identificazioni del termoriscaldatore, come visibile nella zona 21 a sinistra della Fig. 4. Così, si potrà evitare di predisporre un'apposita targhetta aggiuntiva, con evidente riduzione di costi di realizzazione e di assemblaggio.

Secondo il trovato, per evitare innalzamenti locali della temperatura dello strato 16 di inchiostro PTC, al quale corrisponderebbero bruschi aumenti della resistenza e quindi ulteriori aumenti di temperatura con conseguente effetto "a valanga" di surriscaldamento e bruciatura dello strato, sul supporto 15 viene preventivamente deposto uno strato di fondo 22 di un materiale ad elevata conducibilità termica ed elettricamente isolante, avente lo scopo di uniformare la temperatura dello strato resistivo 16 che verrà deposto su esso.

Il materiale base dello strato di fondo 22 può essere scelto tra l'ossido di berillio, il carburo di silicio, silicio allo stato elementare ed altri che hanno lo stesso comportamento elettrico e termico. In alternativa, si potrà utilizzare una miscela di tali materiali, con l'aggiunta di una resina sintetica con funzioni di legante. Eventualmente, questa miscela potrà esser inglobata nello stesso inchiostro PTC anziché essere deposto come fondo, evitando una stratificazione intermedia.

Poiché l'elemento scaldante 4 ha una struttura laminare flessibile, esso può essere facilmente avvolto a virgola attorno al termostato e può essere affacciato alla superficie cilindrica interna dell'involucro 2, in modo da aumentare nettamente il coefficiente di scambio termico e quindi il rendimento generale del riscaldatore.

Per accrescere ulteriormente il coefficiente di scambio termico, e quindi ridurre i consumi energetici è previsto un elemento pressore 23 elastico interposto tra il termostato 3 e l'elemento scaldante 4 in modo da comprimere quest'ultimo radialmente verso l'esterno contro la superficie interna dell'involucro 2.

L'elemento pressore 23 può essere costituito da uno strato o cuscinetto di un materiale elastomerico del tipo poliuretano, preferibilmente allo stato espanso.

Per meglio ridistribuire il carico di spinta, l'elemento pressore 23 è appoggiato alla superficie laterale esterna del termostato con l'interposizione di una prima lamina 24 di materiale plastico semirigido, ad esempio di poliestere, mylar o polietilene.

Inoltre, tra la l'elemento scaldante 4 e la parete interna dell'involucro 2 è interposta una seconda lamina 25 di materiale plastico semirigido elettricamente isolante, avente funzione di isolatore elettrico.

Naturalmente, questa disposizione non ha alcuna influenza sul diametro esterno dell'involucro 2 che, anzi, non viene accresciuto rispetto ai termoriscaldatori del passato anche proprio per migliorare le condizioni di contatto tra l'elemento scaldante 4 e la parete interna dell'involucro 2.

Da quanto sopra, si deduce che il termoriscaldatore secondo il trovato raggiunge gli scopi prefissati ed in particolare risulta più compatto, di grande sensibilità, più economico e sicuro.

Il termoriscaldatore secondo il trovato è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i componenti sono sostituibili con equivalenti tecnici che si ritengono ugualmente protetti. Le dimensioni illustrate ed i materiali indicati sono puramente indicativi e potranno essere variati a seconda delle specifiche esigenze.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Termoriscaldatore compatto ad immersione, particolarmente per acquari, comprendente un involucro tubolare (2) impermeabile all'acqua alloggiente al suo interno un elemento scaldante elettrico (4) ed un termostato (3) entrambi a sviluppo longitudinale, un circuito elettrico (6, 7, 8, 9) per collegare ad una sorgente esterna di corrente elettrica detto elemento scaldante (4) in serie a detto termostato (3), mezzi (10, 12) per la regolazione di detto termostato (3) dall'esterno, caratterizzato dal fatto che detto elemento scaldante (4) è montato in posizione radialmente sfalsata e longitudinalmente sovrapposta a detto termostato (3).
2. 2. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento scaldante (4) è alloggiato in una intercapedine sostanzialmente toroidale formata tra detto termostato (3) e la superficie interna di detto involucro (2).
3. 3. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento scaldante (4) è un componente resistivo di struttura essenzialmente laminare.
4. 4. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto termostato (3) è preferibilmente del tipo a lamina bimetallica (6), detto elemento scaldante (4) e detto termostato (3) avendo una lunghezza approssimativamente uguale e leggermente inferiore a quella di detto involucro (2)
5. 5. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto componente resistivo comprende uno strato (16) di un materiale elettricamente resistivo ancorato ad un supporto (15) laminare flessibile elettricamente isolante e termicamente resistente.
6. 6. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto strato (16) di materiale resistivo è un inchiostro PTC stampato o serigrafato su detto supporto in aree predeterminate (17) collegate a piste conduttrici (18) di alimentazione elettrica.
7. 7. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto strato di materiale elettricamente resistivo (16) è dimensionato in modo che la temperatura massima esterna dell'involucro tubolare risulti costantemente inferiore ad un valore compreso tra 70° e 100°, anche in condizioni di emersione parziale o totale dal mezzo da scaldare.
8. 8. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che dette aree (17) sono posizionate in modo da risultare direttamente affacciate e sostanzialmente adiacenti all'elemento sensibile (6) di detto termostato (3).
9. 9. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che almeno una parte (21) di detto inchiostro PTC ha un disegno atto a rappresentare una scala graduata, eventuali dati di targa ed identificazioni del termoriscaldatore.
10. 10. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che detto strato di materiale resistivo (16) è deposto su o combinato con uno strato di fondo (22) di un materiale ad elevata conducibilità termica ed elettricamente isolante, preventivamente ancorato a detto supporto (15) ed avente la funzione di uniformare la temperatura di detto strato resistivo.
11. 11. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che il materiale base di detto strato di fondo (22) è scelto tra i prodotti del tipo ossido di berillio, carburo di silicio, silicio allo stato elementare ed altri elettro-termicamente equivalenti, ovvero tra miscele di tali prodotti.
12. 12. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto elemento scaldante (4) è almeno parzialmente avvolto a virgola su detto termostato (3) ed è affacciato alla superficie cilindrica interna di detto involucro (2).
13. 13. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di prevedere un elemento pressore elastico (23) interposto tra detto termostato (3) e detto elemento scaldante (4) in modo da comprimere quest'ultimo (4) radialmente verso l'esterno contro la superficie interna di detto involucro (2).
14. 14. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto elemento pressore (23) comprende uno cuscinetto o strato di un materiale elastomerico del tipo poliuretano, preferibilmente allo stato espanso.
15. 15. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto elemento pressore (23) è appoggiato alla superficie laterale esterna di detto termostato (3) con l'interposizione di una prima lamina (24) di materiale plastico semirigido.
16. 16. Termoriscaldatore secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto che detto elemento scaldante (4) è appoggiato alla superficie interna di detto involucro (2) con l'interposizione di una seconda lamina (25) di materiale plastico semirigido elettricamente isolante