FR3007828A1

FR3007828A1 - HEATING ELEMENT AND WATER HEATER HAVING SUCH A HEATING ELEMENT

Info

Publication number: FR3007828A1
Application number: FR1356388A
Authority: FR
Inventors: Cedric Geoffroy
Original assignee: Atlantic Industrie SAS
Current assignee: Atlantic Industrie SAS
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-01-02
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: FR3007828B1

Abstract

Un élément chauffant (4) destiné à être monté dans un fourreau (3) tubulaire métallique de chauffe-eau (1) électrique présente une conformation en cartouche. Ladite conformation en cartouche présente un tube extérieur généralement métallique contenant des fils conducteurs résistifs avec interposition d'un matériau isolant du genre magnésie.A heating element (4) intended to be mounted in a metal tubular sheath (3) of electric water heater (1) has a cartridge conformation. Said cartridge conformation has a generally metallic outer tube containing resistive conductors son interposed with an insulating material of the magnesia kind.

Description

Élément chauffant et chauffe-eau comportant un tel élément chauffant L'invention est relative à un élément chauffant destiné à être monté dans un fourreau tubulaire métallique de chauffe-eau électrique.The invention relates to a heating element intended to be mounted in a metal tubular sheath of electric water heater.

L'invention est également relative à un chauffe-eau électrique comportant un fourreau tubulaire métallique émaillé extérieurement et un élément chauffant selon l'invention. On connaît des éléments chauffants du type « résistance électrique étanche blindée » généralement montés sur une bride de cuve de chauffe-eau.The invention also relates to an electric water heater comprising an outer enamelled metal tubular sheath and a heating element according to the invention. There are known heating elements of the "shielded sealed electrical resistance" type generally mounted on a water heater tank flange.

Cette technologie présente l'avantage de mettre la résistance électrique étanche blindée directement au contact de l'eau et de dissiper directement l'énergie produite par cette résistance électrique blindée dans l'eau à chauffer. Cependant, en cas de détérioration de cette résistance électrique blindée, résultant par exemple d'entartrage ou de corrosion, il est nécessaire pour remplacer cette résistance électrique blindée de séparer la bride de la cuve après avoir vidangé au moins partiellement l'eau qui se trouve dans le chauffe-eau. Un autre élément chauffant connu est un élément du type appelé « résistance stéatite » par les spécialistes. Cet élément chauffant est monté dans un fourreau métallique généralement émaillé extérieurement. Ce fourreau métallique émaillé est soudé à une bride de cuve du chauffe-eau et constitue un doigt de gant de grand diamètre permettant la transmission de la chaleur engendrée par la résistante stéatite à la cuve du chauffe-eau. Le transfert thermique entre la résistante stéatite et le fourreau métallique émaillé s'effectue principalement par rayonnement. Un élément chauffant du type « résistance stéatite » est par exemple décrit dans le document EP 1 619 932 B 1. L'utilisation d'une résistance stéatite insérée dans un tube émaillé permet de procéder à son remplacement, sans aucune vidange de l'eau contenue dans la cuve du chauffe-eau.This technology has the advantage of putting the sealed electrical resistance directly in contact with water and directly dissipate the energy produced by the shielded electrical resistance in the water to be heated. However, in case of deterioration of this shielded electrical resistance, resulting for example from scaling or corrosion, it is necessary to replace the shielded electrical resistance to separate the flange of the tank after having at least partially drained the water that is located in the water heater. Another known heating element is an element of the type called "steatite resistance" by the specialists. This heating element is mounted in a metal sleeve generally enamelled externally. This enameled metal sleeve is welded to a tank flange of the water heater and is a large diameter glove finger for transmitting the heat generated by the steatite resistant to the tank of the water heater. The heat transfer between the steatite resistant and the enamelled metal sheath is mainly by radiation. A heating element of the "steatite resistance" type is for example described in document EP 1 619 932 B 1. The use of a steatite resistor inserted in an enamelled tube makes it possible to proceed to its replacement, without any emptying of the water. contained in the tank of the water heater.

Un inconvénient connu de la résistance de technologie céramique est que son fort pouvoir rayonnant nécessite de protéger les ensembles électroniques et l'environnement proche de l'extrémité de la résistante stéatite par un bouclier thermique, afin de protéger le matériel et le personnel susceptible d'intervenir sur la cuve du chauffe-eau. Ce rayonnement est en outre susceptible de provoquer des pertes énergétiques notables par transmission avec l'environnement extérieur au doigt de gant constitué par le fourreau métallique émaillé du chauffe-eau. Un premier but de l'invention est de fournir une performance énergétique améliorée sans risque de perte ou d'échauffement important du milieu avoisinant, de faciliter le remplacement de l'élément chauffant sans vidange, même partielle, de l'eau de la cuve du chauffe-eau et de permettre le choix d'une alimentation monophasée ou triphasée selon le désir de l'utilisateur. L'invention vise par conséquent à fournir un nouveau chauffe-eau présentant une cuve comportant un fourreau tubulaire métallique généralement émaillé extérieurement et comportant un nouvel élément chauffant permettant d'atteindre les buts de l'invention. Des essais d'insertion directe d'une résistance électrique étanche blindée dans un fourreau tubulaire émaillé d'un chauffe-eau n'ont pas donné satisfaction, car l'énergie thermique fournie était limitée du fait notamment de sa forme non adaptée créant de mauvais contact avec le fourreau tubulaire métallique émaillé. Par conséquent, le risque d'irrégularité de la transmission thermique au revêtement émaillé et le risque de points chauds pouvant constituer des amorces de corrosion étaient grandement augmentés. Un deuxième but de l'invention est de concilier dans un nouvel élément chauffant des caractéristiques de bonne transmission thermique, de préférence par conduction, et des caractéristiques de puissance surfacique limitées, pour éviter la constitution de points chauds lors du fonctionnement, susceptibles d'engendrer des amorces de corrosion du fourreau émaillé ou de la cuve du chauffe-eau. L'invention a pour objet un élément chauffant destiné à être monté dans un fourreau tubulaire métallique de chauffe-eau électrique, caractérisé par le fait que l'élément chauffant présente une conformation en cartouche, ladite conformation en cartouche présentant un tube extérieur généralement métallique contenant des fils conducteurs avec interposition d'un matériau isolant du genre magnésie. Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : - L'élément chauffant présente un diamètre extérieur compris entre 15 et 40 mm, de manière à limiter la puissance émise par unité de surface. - L'élément chauffant peut être obturé à son extrémité distale par soudure d'un bouchon métallique au tube extérieur métallique de l'élément chauffant et à son extrémité froide proximale par application d'un moyen de bouchonnage. - L'élément chauffant peut être obturé à son extrémité distale par application 10 d'un premier moyen de bouchonnage et à son extrémité froide proximale par application d'un deuxième moyen de bouchonnage. - Le moyen de bouchonnage peut être choisi dans le groupe comportant : une colle, une résine, un silicone ou une association de plusieurs de ces éléments. L'invention a également pour objet un chauffe eau comportant une cuve 15 présentant un fourreau tubulaire métallique émaillé extérieurement et un élément chauffant selon l'invention monté dans ledit fourreau, caractérisé par le fait que le fourreau tubulaire métallique émaillé présente une épaisseur supérieure ou égale à 1.5 mm, de manière à limiter la charge thermique au revêtement émaillé et à éviter ainsi les points chauds et les amorces de corrosion pouvant en résulter. 20 Selon d'autres caractéristiques alternatives de l'invention : - Le jeu diamétral à température ambiante entre le diamètre extérieur de l'élément chauffant et le diamètre intérieur du fourreau tubulaire émaillé est de préférence inférieur à un demi-millimètre, de manière à effectuer la transmission thermique essentiellement par conduction. 25 - Lorsque le chauffe-eau électrique est en service, le taux de charge du fourreau tubulaire métallique émaillé est limité à une puissance par unité de surface inférieure à 6 watts/cm2. - Lorsque le chauffe-eau est en service, le taux de charge du fourreau tubulaire métallique émaillé présente une puissance par unité de surface de l'ordre de 30 4 watts/cm2.A known disadvantage of the ceramic technology resistor is that its high radiating power needs to protect the electronic assemblies and the environment near the end of the steatite resistant by a heat shield, in order to protect the equipment and personnel likely to work on the tank of the water heater. This radiation is also likely to cause significant energy losses by transmission with the external environment to the thermowell formed by the enamelled metal sheath of the water heater. A first object of the invention is to provide improved energy performance without risk of loss or significant heating of the surrounding environment, to facilitate the replacement of the heating element without draining, even partial, of the water of the tank of the water heater and allow the choice of a single-phase or three-phase power supply according to the desire of the user. The invention therefore aims to provide a new water heater having a tank comprising a metal tubular sheath generally enamelled externally and having a new heating element to achieve the objects of the invention. Direct insertion tests of a sealed electrical resistance in an enamelled tubular sheath of a water heater were unsatisfactory because the heat energy supplied was limited, in particular because of its unsuitable shape creating bad contact with the enamelled metal tubular sheath. As a result, the risk of uneven heat transfer to the enamelled coating and the risk of hot spots that could constitute corrosion primers were greatly increased. A second object of the invention is to reconcile in a new heating element characteristics of good thermal transmission, preferably by conduction, and limited pfd characteristics, to avoid the formation of hot spots during operation, likely to cause primers of corrosion of the enamelled sheath or the tank of the water heater. The invention relates to a heating element intended to be mounted in a metal tubular sheath of an electric water heater, characterized in that the heating element has a conformation in a cartridge, said cartridge conformation having a generally metallic outer tube containing conductive son with interposition of an insulating material of the magnesia kind. According to other alternative features of the invention: the heating element has an outside diameter of between 15 and 40 mm, so as to limit the power emitted per unit area. - The heating element can be closed at its distal end by welding a metal plug to the metal outer tube of the heating element and its proximal cold end by applying a capping means. The heating element may be closed at its distal end by application of a first capping means and at its proximal cold end by application of a second capping means. The corking means may be chosen from the group comprising: an adhesive, a resin, a silicone or a combination of several of these elements. The subject of the invention is also a water heater comprising a tank 15 having an externally enameled tubular metal sheath and a heating element according to the invention mounted in said sheath, characterized in that the enamelled metallic tubular sheath has a thickness greater than or equal to at 1.5 mm, so as to limit the thermal load on the enamelled coating and thus avoid the hot spots and corrosion primers that may result. According to other alternative features of the invention: the diametric clearance at room temperature between the outer diameter of the heating element and the inside diameter of the enamelled tubular sheath is preferably less than half a millimeter, so as to effect thermal transmission essentially by conduction. When the electric water heater is in use, the charge rate of the enamelled metal tubular sheath is limited to a power per unit area of less than 6 watts / cm 2. When the water heater is in use, the charge rate of the enamelled metal tubular sheath has a power per unit area of the order of 30 watts / cm 2.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe diamétrale d'un chauffe-eau électrique selon l'invention.The invention will be better understood from the following description given by way of nonlimiting example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 schematically represents a diametrical sectional view of an electric water heater according to the invention .

La figure 2 représente schématiquement une vue en perspective avec arrachement partiel d'un ensemble chauffant comportant un élément chauffant selon l'invention. La figure 3 représente schématiquement une vue en perspective d'un élément chauffant selon l'invention, pour une alimentation triphasée.Figure 2 schematically shows a perspective view partially broken away of a heater assembly comprising a heating element according to the invention. Figure 3 schematically shows a perspective view of a heating element according to the invention, for a three-phase power supply.

La figure 4 représente schématiquement une vue en perspective d'un élément chauffant selon l'invention, pour alimentation monophasée. En référence aux figures 1 à 4, les éléments identiques ou fonctionnellement équivalents sont repérés par des chiffres de référence identiques. Sur la figure 1, un chauffe-eau électrique selon l'invention est désigné dans son ensemble par (1). Le chauffe-eau électrique selon l'invention comporte une cuve (2) émaillée intérieurement, dans laquelle pénètre un tube (3) émaillé extérieurement formant un doigt de gant étanche permettant l'insertion d'un élément chauffant (4) relié à une alimentation électrique de puissance par l'intermédiaire de plusieurs fils conducteurs (6, 7, 8).Figure 4 schematically shows a perspective view of a heating element according to the invention, for single-phase power supply. With reference to FIGS. 1 to 4, identical or functionally equivalent elements are identified by identical reference numerals. In Figure 1, an electric water heater according to the invention is designated as a whole by (1). The electric water heater according to the invention comprises an internally enamelled tank (2) into which an externally enamelled tube (3) forms an impervious glove finger allowing insertion of a heating element (4) connected to a feed electrical power via several lead wires (6, 7, 8).

L'élément chauffant (4) est un élément de forme générale tubulaire présentant une conformation en cartouche. Cette conformation en cartouche présente un tube extérieur généralement métallique, qui contient des fils conducteurs résistifs avec interposition d'un matériau isolant du genre magnésie. Lorsque l'alimentation de puissance électrique (5) est activée, les conducteurs résistifs insérés dans la magnésie de l'élément chauffant produisent de la chaleur par effet Joule et transmettent cette chaleur par conduction à travers le fourreau tubulaire (3). Les cartouches chauffantes utilisées dans les moules d'injection plastique ne peuvent pas être utilisées dans cette application, en raison de leur puissance surfacique importante et de leur diamètre faible : cette utilisation conduirait à engendrer des points chauds sur le fourreau métallique émaillé (3), avec risque d'éclatement de l'émail et risque d'amorce de corrosion du fourreau émaillé. Un élément chauffant selon l'invention présente un diamètre extérieur compris entre 15 mm et 40 mm, de manière à limiter la puissance émise par unité de surface, et de manière à éviter la formation de points chauds sur le fourreau (2) et de manière à éviter les amorces de corrosion pouvant en résulter. Sur la figure 2, un ensemble chauffant destiné à être monté sur une cuve (2) de chauffe-eau électrique comporte un fourreau (3) en métal émaillé, une bride (9) formant couvercle et un doigt de gant (10) prévu pour l'insertion d'une sonde de température et d'un thermostat de sécurité fournissant des signaux électriques à la commande de l'alimentation électrique (5) du chauffe-eau électrique. Sur la figure 3, une cartouche chauffante désignée dans son ensemble par (4) comporte une enveloppe métallique extérieure (11). L'enveloppe métallique extérieure (11) est de préférence réalisée en acier inoxydable, pour limiter le risque de corrosion. Le tube métallique (11) contient de la magnésie (12) tassée autour de fils résistifs conducteurs (13, 14, 15) reliés entre eux à un point neutre. L'élément chauffant (4) comporte une partie proximale froide (4a) et une partie distale chaude (4b) destinée à transmettre la chaleur par conduction à l'intérieur d'un fourreau émaillé non représenté. Pour assurer un bon transfert thermique par conduction entre le diamètre intérieur d'un fourreau émaillé et le diamètre extérieur d'un élément chauffant selon l'invention, on prévoit un jeu diamétral inférieur à un demi-millimètre à température ambiante.The heating element (4) is a tubular generally shaped member having a cartridge conformation. This cartridge conformation has a generally metallic outer tube, which contains resistive conductive wires with the interposition of an insulating material of the magnesia type. When the power supply (5) is activated, the resistive conductors inserted in the magnesia of the heating element produce Joule heat and transmit this heat by conduction through the tubular sleeve (3). The heating cartridges used in the plastic injection molds can not be used in this application, because of their high power density and their small diameter: this use would lead to hot spots on the enamelled metal sleeve (3), with risk of burst enamel and risk of corrosion initiation of the enamelled sheath. A heating element according to the invention has an outside diameter of between 15 mm and 40 mm, so as to limit the power emitted per unit area, and so as to avoid the formation of hot spots on the sleeve (2) and so to avoid the corrosion primers that may result. In FIG. 2, a heating assembly intended to be mounted on an electric water heater tank (2) comprises an enamelled metal sheath (3), a cover flange (9) and a thimble (10) provided for inserting a temperature probe and a safety thermostat providing electrical signals to the control of the electrical power supply (5) of the electric water heater. In Figure 3, a heater cartridge generally designated by (4) has an outer metal shell (11). The outer metal casing (11) is preferably made of stainless steel, to limit the risk of corrosion. The metal tube (11) contains magnesia (12) packed around conductive resistive wires (13, 14, 15) interconnected at a neutral point. The heating element (4) has a cold proximal portion (4a) and a hot distal portion (4b) for transmitting heat by conduction within a not shown enameled sleeve. To ensure a good thermal transfer by conduction between the inner diameter of an enamelled sheath and the outer diameter of a heating element according to the invention, a diametral clearance of less than half a millimeter at room temperature is provided.

L'élément chauffant (4) est obturé à son extrémité distale par un capuchon métallique (16) soudé au tube métallique (11). Les fils conducteurs résistifs (13, 14, 15) sortent de la partie proximale à travers un bouchonnage (17) réalisé de préférence à l'aide de silicone. Les fils résistifs (13, 14, 15) et un conducteur de neutre non représenté en détail sont gainés par des gaines (18) en fibre de verre isolée (18).The heating element (4) is closed at its distal end by a metal cap (16) welded to the metal tube (11). The resistive conductor wires (13, 14, 15) protrude from the proximal portion through a capping (17) preferably made with silicone. The resistive wires (13, 14, 15) and a neutral conductor not shown in detail are sheathed by insulated fiberglass sleeves (18) (18).

Les gaines (18) en fibre de verre isolée sont elles-mêmes protégées par une gaine commune (19). De manière connue, le remplissage d'oxyde de magnésium ou magnésie et la compression autour des fils électriques résistifs (13, 14, 15) permet de maintenir l'ensemble des fils électriques résistifs (13, 14, 15) dans la position désirée au sein du tube (11). L'obturation du tube métallique (11) par un bouchon métallique (16) soudé et par un coulage de silicone (17) empêche l'humidité de pénétrer à l'intérieur du tube. Le bouchon métallique (16) soudé peut être remplacé, sans sortir du cadre de la présente invention, par un bouchon en résine ou autre matière, fixé à demeure par soudure, collage ou tout autre moyen mécanique ou chimique. En prévoyant un diamètre extérieur d'élément chauffant supérieur à 15mm, le taux de charge ou puissance émis par unité de surface est notablement réduit par rapport au taux de charge des cartouches chauffantes utilisées dans les moules d'injection plastique. En prévoyant en outre une épaisseur augmentée du fourreau émaillé, de préférence supérieure à 2 mm de métal, la répartition de la température est uniformisée et la charge thermique au revêtement émaillé est améliorée en évitant ainsi les points chauds et les amorces de corrosion pouvant en résulter.Insulated fiberglass sleeves (18) are themselves protected by a common sheath (19). In known manner, the filling of magnesium oxide or magnesia and the compression around the resistive electrical wires (13, 14, 15) makes it possible to maintain the set of resistive electrical wires (13, 14, 15) in the desired position at within the tube (11). Closing the metal tube (11) with a welded metal plug (16) and silicone casting (17) prevents moisture from entering the tube. The welded metal plug (16) can be replaced without departing from the scope of the present invention by a plug of resin or other material, permanently fixed by welding, gluing or any other mechanical or chemical means. By providing a heater outer diameter greater than 15mm, the rate of charge or power output per unit area is significantly reduced compared to the charge rate of the heating cartridges used in the plastic injection molds. Moreover, by providing an increased thickness of the enamelled sheath, preferably greater than 2 mm of metal, the temperature distribution is standardized and the thermal load on the enamelled coating is improved, thereby avoiding the hot spots and corrosion primers that may result. .

Sur la figure 4, un autre élément chauffant selon l'invention comporte un tube métallique extérieur (21), un remplissage de magnésie (22) et deux éléments métalliques conducteurs (23, 24) reliés entre eux à l'extrémité (25) pour former l'âme électrique résistive chauffante de l'élément chauffant (4). L'élément chauffant (4) comporte une partie proximale froide (4a) et une partie distale chaude (4b) destinée à transmettre la chaleur par conduction à l'intérieur d'un fourreau émaillé non représenté. Les bouchons (26a, 27a) peuvent être constitués par un moyen de bouchonnage choisi dans le groupe comportant : une colle, une résine, un silicone ou une association de plusieurs de ces éléments.In FIG. 4, another heating element according to the invention comprises an outer metal tube (21), a magnesia filling (22) and two conductive metal elements (23, 24) interconnected at the end (25) for forming the resistive electric heating core of the heating element (4). The heating element (4) has a cold proximal portion (4a) and a hot distal portion (4b) for transmitting heat by conduction within a not shown enameled sleeve. The plugs (26a, 27a) may be constituted by a corking means selected from the group comprising: an adhesive, a resin, a silicone or a combination of several of these elements.

La fixation et le maintien d'une cartouche ou élément chauffant (4) dans le fourreau émaillé peut être effectué par tout moyen mécanique connu, de manière analogue à celle décrite dans le document EP 1 619 932 B 1. Dans le cas d'un élément chauffant du type monophasé représenté à la figure 4, le diamètre extérieur du tube (21) peut être compris entre 15 et 40 mm de diamètre sans sortir du cadre de la présente invention. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de vidanger complètement la cuve du chauffe-eau pour effectuer un remplacement d'élément chauffant. En outre, la prévision d'une extrémité froide importante de longueur supérieure au diamètre de la cartouche chauffante permet d'éviter les pertes thermiques par le bas et le rayonnement vers l'environnement, susceptibles d'engendrer des détériorations de matériel ou des risques de brûlure pour le personnel. L'invention décrite en référence à plusieurs modes de réalisation particuliers ne leur est nullement limitée, mais couvre au contraire toute modification de forme et toute variante de réalisation dans le cadre des revendications annexées.The fixing and the holding of a cartridge or heating element (4) in the enamelled sheath can be carried out by any known mechanical means, in a manner similar to that described in document EP 1 619 932 B 1. In the case of a heating element of the single-phase type shown in Figure 4, the outer diameter of the tube (21) may be between 15 and 40 mm in diameter without departing from the scope of the present invention. Thanks to the invention, it is not necessary to completely empty the tank of the water heater to perform a heating element replacement. In addition, the provision of a large cold end longer than the diameter of the heating cartridge makes it possible to avoid thermal losses from below and radiation to the environment, which may lead to damage to equipment or risks of damage. burn for the staff. The invention described with reference to several particular embodiments is not in any way limited to them, but on the contrary covers any modification of form and any variant embodiment within the scope of the appended claims.

Claims

REVENDICATIONS1. Heating element (4) intended to be mounted in a metal tubular sheath (3) of electric water heater (1), characterized in that the heating element (4) has a conformation in a cartridge, said cartridge conformation having a generally metallic outer tube (11) containing resistive conductors with interposition of an insulating material (12) of the magnesia type.

2. Heating element according to claim 1, characterized in that the heating element (4) has an outer diameter of between 15 and 40 mm, so as to limit the power output per unit area.

3. heating element according to claim 1 or claim 2, characterized in that the heating element (4) is closed at its distal end by welding a metal plug (16) to the outer tube (11) metal and to its cold end (4a) proximal by application of a capping means (17, 26a, 27).

4. Heating element according to claim 1 or claim 2, characterized in that the heating element (4) is closed at its distal end (26) by application of a first capping means and at its proximal cold end ( 27) by applying a second capping means.

5. heating element according to claim 4 or claim 5, characterized in that the capping means is selected from the group comprising: an adhesive, a resin, a silicone or a combination of several of these elements.

6. Electric water heater (1) comprising a tank (2) having an outer enamelled metal tubular sheath (3) and a heating element (4) according to any one of claims 1 to 5 mounted in said sheath (3), characterized in that the enamelled metal tubular sheath (3) has a thickness greater than or equal to 1.5 mm, so as to limit the heat load to the enamelled coating and thus avoid the hot spots and corrosion primers that may result.

7. Water heater according to claim 6, characterized in that the diametral clearance between the outer diameter of the heating element (4) and the inner diameter of the enamelled tubular sheath (3) is less than half a millimeter at room temperature. , so as to carry out the thermal transmission essentially by conduction.

8. A water heater according to claim 6 or claim 7, characterized in that, in use, the charge rate of the enamelled metal tubular sheath (3) is limited to a power per unit area of less than 6 watts / cm 2 .

9. A water heater according to claim 8, characterized in that, in use, the charging rate of the enamelled metal tubular sheath (3) has a power per unit area of the order of 4 watts / cm2.