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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit einer Scheibe aus Kaltleitermaterial als Quelle für Elektrowärme, das einen Effekt der Temperaturbegrenzung hat, wobei diese Scheibe derart angeordnet ist, dass sie mit ihren beiden Scheibenoberflächen in Wärmekontakt mit Wärme- - Aufnahmeflächen des Körpers ist, wobei dazu ein Metallkörper verwendet ist und wobei im wesentlichen gleich gross wirksamer Wärmekontakt zwischen jeder der beiden Scheibenoberflächen und der Wärme-Abgabefläche in der Heizeinrichtung vorliegt, sowie mit elektrischer Isolation und elektrischen Anschlüssen zur Stromzufuhr.
Es sind Heizeinrichtungen bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 1286242, in denen das eigentliche, die Elektrowärme erzeugende Element eine Scheibe aus einem Material ist, das als Kaltleiter bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um ein ferroelektrisches Keramikmaterial, beispielsweise auf der Basis des Bariumtitanats, das bis zu einer bestimmten materialspezifischen Curie-Temperatur relativ niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand hat und im Nahbereich dieser Temperatur einen starken Anstieg dieses spezifischen Widerstandes aufweist.
Ein Körper aus diesem Kaltleitermaterial, durch den man über Elektroden einen elektrischen Strom fliessen lässt, zeigt die Eigenschaft, dass dann, wenn die zugeführte elektrische Energie ausreichend ist, den jeweiligen Körper aus diesem Kaltleitermaterial bis zur wie oben angegebenen Temperatur aufzuheizen, eine relativ scharfe Begrenzung des maximal erreichten Temperaturwertes des Materials bzw. Körpers zeigt. Das Heizen mit einem Kaltleiter umfasst somit eine Selbststabilisierung.
Aus der DE-OS 2614433 ist ein Lockenwickelstab bekannt, der als Heizelement mehrere Scheiben aus Kaltleitermaterial enthält. Diese Scheiben befinden sich bei einer Ausführungsform zwischen Metallkörpern, die im wesentlichen allseitig die erzeugte Wärme an die die Heizelemente ebenso allseitig umgebende Wärmeabgabefläche weiterleiten. Diese bekannte Konstruktion hat ausserdem noch elektrische Isolation und elektrische Anschlüsse zur Stromzuführung in die Scheiben aus Kaltleitermaterial.
Aus den AT-PS Nr. 115421 und Nr. 86096 gehen elektrische Heizeinrichtungen mit Drahtheizkörpern hervor. Diese Drahtheizkörper haben keinerlei Selbstregelungseffekt und für ihren Einbau ist es praktisch unbedeutend, wenn sie ihre Wärme nur nach einer Seite abzugeben vermögen.
Ein solcher Heizdrahtkörper befindet sich z. B. in einer wannenförmigen Ausnehmung des Bodens des zu beheizenden Behälters, ohne dass irgendein Wert darauf gelegt ist, auch von der zweiten Seite des Heizkörpers einen wesentlichen Anteil an Wärmeleistung dem Innenraum des Behälters zuzuführen.
Bei bekannten Heizeinrichtungen mit Kaltleiterscheiben, bei denen diese Scheibe mit irgendeinem die Elektrowärme abnehmenden Körper in Verbindung steht, wurde festgestellt, dass bei diesen eine weit unter dem Optimum der Möglichkeiten der Ausnutzung dieses Stabilisierungseffektes vorhanden ist. Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Heizeinrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die das mögliche Optimum ziemlich weitgehend erreicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass bei Ausbildung der Heizeinrichtung als Kochgerät mit Behälter, z. B. Eierkocher, dieses Kochgerät eine nach unten gerichtete, topfförmige Ausnehmung aufweist, die einen ebenen Boden aufweist, in welcher Heizeinrichtung unter dem Druck eines in die Ausnehmung eingepassten Verschlussstückes die eine elektrische Leistungsdichte von etwa 50 W/cm2 der Scheibenoberfläche abgebenden Kaltleiterscheibe samt Anschlüssen und gegebenenfalls erforderliche elektrische Isolation angeordnet ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass nur einseitige Wärmeabfuhr aus einer Scheibe als Kaltleitermaterial dazu führt, dass der Selbststabilisierungseffekt des Materials praktisch nur in Zonen der Scheibe mit brauchbarer Wirkung ausgenutzt wird, die nahe dem vorgesehenen thermischen Kontakt zwischen der Kaltleiterscheibe und dem eigentlichen aufzuheizenden Körper der Heizeinrichtung ist. Die dagegen mehr oder weniger freiliegende andere Oberfläche der Kaltleiterscheibe unterliegt demgegenüber andern physikalischen Einflüssen, die zu einer quantitativ davon abweichenden Temperatursteuerung führen.
Damit ist nicht nur die Ausbeute des durch die Eigenschaften des Kaltleitermaterials an sich gebotenen Effekts erheblich gemindert. Darüber hinaus führen solche ungleichen Temperatursteuerungen im Kaltleitermaterial zu mechanischen Spannungen, die Zerstörungen der Scheibe bewirken.
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Die voranstehend dargelegten Sachverhalte spielen vor allem dann eine grosse Rolle, wenn es sich um die Erzeugung relativ grosser Wärmemengen handelt, wozu entsprechend grosse Körper aus Kaltleitermaterial erforderlich sind, damit genügende elektrische Heizleistung bereitgestellt ist. Im Sinne der Erfindung relativ hohe Heizleistung liegt bei Kochgeräten, wie z. B. Eierkochern oder Kaffeemaschinen, im Haushalt vor, bei denen elektrische Leistungsdichten von 50 W/cm2 der die Wärme abgebenden Kaltleiterscheibe erforderlich sind.
Um den Wärmekontakt zwischen dem Verschlussstück und der topfförmigen Ausnehmung herzustellen, werden erfindungsgemäss zwei Möglichkeiten vorgeschlagen, die auf vorteilhafte Weise einen möglichst vollkommenen Wärmeübergang sicherstellen. Die eine Möglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussstück mittels eines einerseits den Wärmekontakt sichernden und anderseits dauernd unveränderlichen Anpressdruck gewährleistenden Gewindes in dem die topfförmige Ausnehmung aufweisenden Teil des Kochgerätes eingepasst ist. Die zweite Möglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekontakt zwischen dem Verschlussstück und dem die topfförmige Ausnehmung aufweisenden Teil des Kochgerätes über eine Fassung mit Presssitz hergestellt ist, dessen Anwendung die Herstellung der Einrichtung verbilligt und dennoch den guten Wärmekontakt gewährleistet.
Ein Optimum für den vorstehend bereits erwähnten Stabilisierungseffekt erhält man gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch, dass die Scheibe aus Kaltleitermaterial für eine Betriebsspannung von 220 V eine Dicke zwischen 0, 5 und 2 mm aufweist, wobei bei einer solchen Dickenabmessung nicht nur noch geringe Wärmespannungen in der Scheibe auftreten, sondern auch der in Reihe liegend wirksame eigene Wärmewiderstand des Kaltleitermaterials noch gering ist. Dazu angepasst verwendet man ein Kaltleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand, der bei Curie-Temperatur und 2000 V/cm gemessen zwischen 1, 103 Ohm. cm beträgt, und das eine Curie-Temperatur hat, die wenigstens 50 K höher als die Betriebs-Heiztemperatur ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung können der einzigen Figur der Zeichnung entnommen werden.
In der Zeichnung ist mit-l-ein Metallkörper bezeichnet. Dieser Körper-l-hat
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--41--,Mit --2-- ist eine Scheibe aus Kaltleitermaterial, z. B. mit den Abmessungen 32 mm Durchmesser und 1, 5 mm Dicke, für die Abgabe von 500 W bezeichnet. Diese Scheibe --2-- befindet sich in einer wie aus der Schnitt-Darstellung der Figur ersichtlichen Ausnehmung, u. zw. derart, dass die eine Fläche --21-- der Scheibe --2-- möglichst weitgehend eben einer Fläche --31-- des Körpers --1-- gegenüberliegt.
Um einen wie erfindungsgemäss beidseitigen Wärmeabtransport sicher zu gewährleisten,
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des Körpers --1--, wie aus der Figur ersichtlich, angepasst ist. Eine Fläche --32-- dieses Teilstückes --11-- liegt der zweiten Fläche --22-- der Scheibe --2-- gegenüber. Zwischen den Teilstücken --11 und 12-- liegt ein guter Wärmekontakt vor, z. B. über ein zylindrisches
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dazu passenden Fläche --14-- des andern Teilstückes --12-- des Körpers vorgesehen sein.
Die Scheibe --2-- aus Kaltleitermaterial hat auf den beiden Oberflächen --21 und 22-dünnschichtige Elektrodenbelegungen aus einem für Kaltleiter üblicherweise verwendeten Material.
Diese Elektrodenbelegungen sind der Übersichtlichkeit halber nur als stark ausgezogener Strich dargestellt. Lediglich schematisch sind die elektrischen Anschlussleitungen --211-- dieser Elektroden angedeutet.
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Kurzschluss zwischen den auf den Flächen --21 und 22--befindlichen Elektroden verhindert. Eine solche elektrische Isolation, die dabei aber eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, lässt sich
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durch eine schichtförmige Zwischenlage-212, 222-- aus z. B. Be-Oxyd, Al-Oxyd, Mg-Oxyd oder aus Silikonharz herstellen. Eine solche Schicht befindet sich zwischen den Flächen --21 und 31-- sowie --22 und 32--.
Bei einer wie erfindungsgemässen Heizvorrichtung, u. zw. insbesondere bei Hochleistungsbetrieb, liegt eine sehr homogene Wärmeableitung aus der Scheibe --2-- zu der nur einen Wärme abgebenden Heizfläche --41-- des Körpers --1-- vor. Die beiden Teil-Wärmeströme, die von den beiden Flächen --21 und 22-- der Scheibe --2-- ausgehen, vereinigen sich im erfindungsgemäss ausgebildeten Körper-l-zu einem gemeinsamen Wärmestrom zur Heizfläche --41--. Beide Teilströme sind bezüglich der Wärmeableitung erfindungsgemäss im wesentlichen gleichwertig dimensioniert. Diese Homogenität ermöglicht es, ein Leistungs-Regelverhältnis von z. B. 8 : 1 zu erreichen.
Dieses Verhältnis beschreibt den Rückgang der Erzeugung an Elektrowärme bei Erreichen der Temperatur der Selbststeuerung der erfindungsgemässen Heizvorrichtung.
Vorzugsweise werden nur sehr dünne, z. B. weniger als 2 mm dicke Scheiben --2-- verwendet, die lediglich so dick sind, dass noch keine elektrischen Durchschläge durch die Scheibe hindurch auftreten.
Die Scheibe --2-- wird sowohl vom elektrischen Strom als auch vom Wärmestrom parallel durchströmt. Es empfiehlt sich, für das wärmeleitende, elektrisch isolierende Material zwischen den Flächen --21 und 31 bzw. 22 und 32-- eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0, 2 W/cm2. K vorzusehen.
Vorteilhaft ist es, zwischen den Flächen --31 und/oder 32-- einerseits und der Isolation - 212 und/oder 222-- anderseits eine Schicht --412 bzw. 422-aus einem Material mit duktiler Eigenschaft vorzusehen, das einen gewissen Anlagedruck und Druckausgleich zwischen der Kaltleiterscheibe und den ihr gegenüberliegenden Flächen des Körpers-l-bewirkt. Als Material eignen sich hiefür Pb, Pb-In, In, Cd-In, Cd-In-Pb. Die Stromzuführung an die Elektroden kann auch über solches duktiles Material erfolgen, wenn dieses zwischen der Scheibe --2-- und der jeweiligen Schicht--31 bzw. 32-aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
Eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung mit einer Dickenabmessung von 0, 5 bis 2 mm der Scheibe --2-- lässt sich mit 220 V betreiben. Dazu passender spezifischer Widerstand des Kaltleiter-Materials
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Auf Grund des Selbststabilisierungseffekts des Kaltleiter-Materials hat eine erfindungsgemässe Heizeinrichtung eine hohe Brandsicherheit, weil unzulässige Überhitzungen von selbst ausgeschlossen sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Heizeinrichtung mit einer Scheibe aus Kaltleitermaterial als Quelle für Elektrowärme, das einen Effekt der Temperaturbegrenzung hat, wobei diese Scheibe derart angeordnet ist, dass sie mit ihren beiden Scheibenoberflächen in Wärmekontakt mit Wärme-Aufnahmeflächen des Körpers ist, wobei dazu ein Metallkörper verwendet ist und wobei im wesentlichen gleich gross wirksamer Wärmekontakt zwischen jeder der beiden Scheibenoberflächen und der Wärme-Abgabefläche in der Heizeinrichtung vorliegt, sowie mit elektrischer Isolation und elektrischen Anschlüssen zur Stromzufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Heizeinrichtung als Kochgerät mit Behälter, z. B.
Eierkocher, dieses Kochgerät eine nach unten gerichtete, topfförmige Ausnehmung aufweist, die einen ebenen Boden (31) aufweist, in welcher Heizeinrichtung unter dem Druck eines in die Ausnehmung eingepassten Verschlussstückes (11) die eine elektrische Leistungsdichte von 50 W/cm2 der Scheibenoberfläche abgebende Kaltleiterscheibe (2) samt Anschlüssen und gegebenenfalls erforderliche elektrische Isolation (212,222) angeordnet ist.