CH688328A5

CH688328A5 - Elektrische Heizeinheit.

Info

Publication number: CH688328A5
Application number: CH208393A
Authority: CH
Inventors: Dusko Maravic; Bozidar Zoricic; Albert Kerber; Siegfried Dreher
Original assignee: Sgl Carbon Ag
Priority date: 1993-07-12
Filing date: 1993-07-12
Publication date: 1997-07-31
Also published as: HUT71146A; WO1995002952A1; EP0659328A1; CZ63095A3; PL308110A1; CZ283545B6; AU7067094A; HU9500746D0

Description

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CH 688 328 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinheit mit einem stromdurchflossenen Widerstandsheizelement und einem, den zu heizenden Gegenstand oder das zu erwärmende Medium tragenden beziehungsweise führenden, massiven Körper.

Konventionelle elektrische Heizeinheiten weisen Heizelemente auf, die aus stromdurchflossenen Leitern gebildet werden. Bevorzugte Materialien sind Cr-Ni-Legierungen, die einen spezifischen elektrischen Widerstand p von circa 1 10-6 Qm aufweisen. Da der spezifische Widerstand p von elektrischen Leitern sehr klein ist, muss der Leiter eine möglichst kleine Querschnittsfläche und eine grosse Länge aufweisen, damit ein genügend grosser effektiver Widerstand R erhalten wird. Deshalb werden konventionelle Widerstandsheizelemente aus dünnen Drähten gebildet, die spiralförmig gewickelt sind. Trotzdem ist der Widerstand R dieser Heizdrähte so klein, dass schon bei kleinen Spannungen die Eingangsleistung gross ist. Der Draht weist somit schnell eine hohe Temperatur auf. Typische Temperaturwerte liegen bei 1000°C. Der Wider-standsdraht ist von dem zu erwärmenden, flüssigen oder gasförmigen Medium oder Gegenstand durch einen massiven, meist elektrisch isolierten Körper getrennt. Dieser trägt den zu heizenden Gegenstand oder führt das zu erwärmende Medium.

Ein typisches Beispiel derartiger Heizeinheiten ist die elektrische Kochplatte. Beabstandet über der Heizspirale befindet sich die Glaskeramikscheibe, auf der sich die zu erwärmende Pfanne befindet. Ein weiteres Beispiel ist der Durchlauferhitzer. Das zu erwärmende Wasser wird in Rohren geführt, die mit spiralförmig gewickelten Widerstandsdrähten beabstandet umwickelt sind.

In beiden Beispielen erfolgt die Erwärmung des Gegenstandes oder des Mediums weniger durch Wärmeleitung als durch Wärmestrahlung. Diese Beispiele verdeutlichen die Nachteile der bekannten Heizeinheiten mit Widerstandsheizelementen. Es ist stets ein Zwischenelement zwischen der Wärmequelle, dem Heizdraht und der Wärmesenke, dem Gegenstand oder Medium, notwendig. Dieses Zwischenelement weist eine grosse Masse auf und ist meist auch noch ein schlechter Wärmeleiter, da er elektrisch isoliert ist. Dieses System ist somit bezüglich der Wärmeübertragung sehr träge. Deshalb muss das Heizelement eine viel höhere Temperatur aufweisen als effektiv beim Gegenstand oder Medium erzielt werden möchte. Zudem geht ein Grossteil der Heizleistung verloren, da die Wärmestrahlung in allen Richtungen abgestrahlt wird. Der Wirkungsgrad bekannter Heizeinheiten ist demzufolge sehr klein.

Eine Erhöhung des Wirkungsgrades könnte erzielt werden, indem der zu erwärmende Gegenstand oder das Medium in wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmequelle gebracht wird. Dies ist aber bei den herkömmlichen Heizdrähten nicht durchführbar. Wie bereits erwähnt, können keine niedrigen bis mittleren Temperaturen erzielt werden. Berührung mit dem heissen Heizelement kann zu

Strukturveränderungen des Gegenstandes oder des Mediums führen. Ebenso können die Wärmeübertragung hemmende Randeffekte auftreten. Eine optimale Wärmeübertragung ist zudem erst dann vorhanden, wenn die Kontaktfläche zwischen den wärmetauschenden Medien möglichst gross ist. Aus den bisher verwendeten Materialien kann jedoch kein grossflächiges Heizelement gebaut werden, da ihr spezifischer Widerstand zu klein ist.

In Hinblick auf die immer bedeutendere Forderung, dass elektrische Energie möglichst effizient und sparsam verwendet werden soll, können diese bekannten Heizeinheiten nicht mehr genügen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizeinheit zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad in der Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke gewährleistet.

Diese Aufgabe löst eine elektrische Heizeinheit gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der tragende, beziehungsweise führende, massive Körper gleichzeitig das stromdurchflossene Widerstandsheizelement bildet.

Die erfindungsgemässe elektrische Heizeinheit weist wie die bekannten Heizeinheiten ein strom-durchflossenes Widerstandsheizelement auf. Dieses ist jedoch als massiver, das heisst als fester und wuchtiger Körper ausgebildet. Es kann beispielsweise als Rohr oder Platte gestaltet sein. Dieser massive Körper wird in der erfindungsgemässen Heizeinheit nicht nur als Wärmequelle eingesetzt, sondern auch um den zu erwärmenden Gegenstand zu tragen oder, im Falle eines Gases oder einer Flüssigkeit, dieses zu führen.

Das erfindungsgemässe Widerstandsheizelement ist nicht, wie bekannt, aus einem elektrisch leitenden Material mit kleinem spezifischem elektrischem Widerstand gefertigt, sondern aus einem einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand aufweisenden Material. Beispiele der verwendeten Materialien sind Halbleiter, wie Siliciumkarbid, mit Kohlenstoff, Graphit oder Metall dotierte Hochleistungs-Kunststoffe oder andere halbleiterähnliche Materialien. Diese Materialien haben einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand p als die bisher verwendeten. Typische Werte liegen zwischen 10~4 bis 1 flm.

Der spezifische Widerstand p der verwendeten Materialien und damit auch deren effektiver Widerstand R sind genügend gross, so dass ein kleiner Querschnitt und eine grosse Länge keine Bedingung für das Widerstandsheizelement mehr darstellt. Zudem ist die bei gleichbleibender Spannung in Wärme umgewandelte Energie wegen dem höheren Widerstand um einiges tiefer als bei den herkömmlichen leitenden Widerstandsheizelementen. Das Heizelement lässt sich schon für eine niedrige bis mittlere Temperatur regeln. Typische Temperaturen liegen bei 50°C bis 700°C.

Das als massiver Körper ausgebildete, halbleitende Widerstandsheizelement birgt mehrere Vorteile. Da das Heizelement bereits bei tiefen Temperaturen regelbar ist, kann es auf eine Temperatur erwärmt werden, die nur leicht höher als die ge5

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wünschte Endtemperatur des Gegenstandes oder Mediums liegt. Dadurch kann es in Kontakt mit dem zu erwärmenden Gegenstand oder Medium gebracht werden, so dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und nicht durch Wärmestrahlung erfolgen kann. Da das Heizelement als massiver Körper ausgebildet ist, ist die Kontaktfläche zum Gegenstand oder Medium gross. Die Wärmeübertragung kann über diese grosse Fläche erfolgen. Zudem ist kein zusätzliches massives Zwischenelement erforderlich, das die Wärmeübertragung hemmt. Daher reicht, in umgekehrter Betrachtungsweise, die niedrige bis mittlere Temperatur der Wärmequelle zu Erzielung der gewünschten Temperatur am Gegenstand oder Medium aus.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Heizeinheit ist demnach beträchtlich höher als bei konventionellen Heizeinheiten mit Widerstandsheizdrähten. Die erfindungsgemässe Heizeinheit ist energiesparend.

Zur zusätzlichen Erhöhung des Wirkungsgrades können die nicht zur Wärmeübertragung verwendeten Flächen des Heizelementes thermisch isoliert werden. Die Wärme wird so gezielt an die benötigte Stelle gebracht. Die Verluste durch Wärmestrahlung sind gering gehalten.

Je nach Anwendungsbereich wird der massive Körper des Widerstandsheizelementes gegenüber dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht kann beispielsweise ein Keramiküberzug mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient wie der massive Körper sein. Vorzugsweise wird ein elektrisch isolierendes Material mit möglichst guten wärmeleitenden Eigenschaften gewählt.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Heizeinheit in Form eines Rohres;

Fig. 2 eine Heizeinheit mit einem plattenförmigen Widerstandsheizelement;

Fig. 3 eine erfindungsgemässe Kochplatte.

In Fig. 1 ist ein rohrförmiges Widerstandsheizelement dargestellt. Es besteht aus einem Rohrstück 1, das an jedem seiner Enden gut leitende metallische Kontakte 2 mit grossen Kontaktflächen zur Erstellung eines Stromkreises aufweist. Wird eine Spannungsquelle an diese Kontakte angeschlossen, so fliesst ein Strom durch das Rohr. Dieses wird entsprechend seinem Widerstand R erhitzt.

Ein derartiges Widerstandsheizelement wird beispielsweise in einem Durchlauferhitzer verwendet. Das Rohrstück 1 des Widerstandsheizelementes ist dann gleichzeitig die Rohrleitung für das zu erwärmende Wasser. Das Wasser fliesst im Innern 3 des Rohres 1. Durch den direkten Kontakt mit der heis-sen Rohrwandung wird das Wasser erwärmt. Da die Rohrwandung nur eine unwesentlich höhere Temperatur als die gewünschte Wassertemperatur aufweist, treten keine Strukturumwandlungen des Wassers auf und der Wirkungsgrad ist wesentlich höher als bei konventionellen Durchlauferhitzern. Um unerwünschten Wärmeverlust an die Umgebung zu verhindern, kann das Rohr mit einem thermisch isolierten Mantel umgeben sein. Wird eine Niederspannung, das heisst eine Spannung kleiner als 50 V, an das Rohr angelegt, so ist keine spezielle elektrische Isolation notwendig. Wird jedoch eine Spannung von 220 V verwendet, so muss die Heizeinheit gegenüber der Umgebung mit einem elektrisch isolierenden Mantel umgeben werden. Das zu erwärmende Medium, die Flüssigkeit oder das Gas, bleibt trotzdem in direktem Kontakt mit dem als Wärmequelle dienenden Rohr.

In Fig. 2 ist ein Widerstandsheizelement in Form einer Platte dargestellt. An beiden Enden der Platte sind wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform elektrische Kontakte 2 angebracht. Sie können an den Stirnflächen der Platte befestigt sein oder, wie dargestellt, den Umfang der Platte umfassen. Auch in diesem Beispiel ist die Platte gleichzeitig die Wärmequelle und der massive, den zu erwärmenden Gegenstand tragende Körper. Je nach angelegter Spannung wird die Platte mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt, die aber möglichst gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Ebenso kann die untere Seite der Platte, falls sie nicht zur Wärmeübertragung verwendet wird, thermisch isoliert sein. Anwendungsbeispiele sind Wärmeplatten im Haushaltsgebrauch oder Heizelemente, die in einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter eingetaucht werden.

Ein Anwendungsbeispiel einer derartigen Platte ist in Fig. 3 dargestellt. Das Widerstandselement wird als Kochplatte verwendet. Die untere Seite 5 der Platte 4 ist elektrisch und thermisch isoliert. Die obere Seite 6 weist eine elektrische Isolationsschicht auf. Auf diese wird der zu erwärmende Kochtopf gestellt. Auch diese Kochplatte weist die oben beschriebenen Vorteile auf und ermöglicht so eine energiesparende Zubereitung von Mahlzeiten.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das tragende Heizelement mit einem weiteren massiven Körper in Kontakt. Dieser Körper weist elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Eigenschaften auf. Im Falle einer Kochplatte oder einer Wärmeplatte wird diese massive Isolation anstelle der oben beschriebenen Isolationsschicht verwendet. Als Isolationsmaterial wird beispielweise Aluminiumnitrid (AIN) verwendet. Dieser Isolationskörper trennt das tragende Heizelement von dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand.

In einer weiteren Ausführungsform verbindet ein derartiger Isolationskörper mehrere massive Heizelemente miteinander, die somit eine gemeinsame Heizeinheit bilden.

Damit die erfindungsgemässe Heizeinheit sinnvoll eingesetzt werden kann, muss für jedes Anwendungsbeispiel jeweils die Optimierung aller wesentlichen Parameter berechnet werden. Das heisst, die Länge und Querschnittsfläche des Widerstandsheizelementes müssen so gewählt werden, dass der resultierende Widerstand R die zur Erzielung der gewünschten Temperatur notwendige Grösse aufweist. Gleichzeitig muss aber die Forderung erfüllt werden, dass die Stabilität des Körpers zum Führen des Mediums oder Tragen des Gegenstandes aus-

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reicht. Ein dabei teilweise frei wählbarer Parameter ist das Material. Der spezifische Widerstand lässt sich durch Veränderung der Dotierung des Siliziumkarbits oder des Kunststoffes variieren.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Heizeinheit mit einem stromdurchflossenen Widerstandsheizelement und einem den zu heizenden Gegenstand oder das zu erwärmende Medium tragenden beziehungsweise führenden, massiven Körper, dadurch gekennzeichnet, dass der tragende, beziehungsweise führende massive Körper gleichzeitig das stromdurchflossene Widerstandsheizelement bildet.

2. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromdurchflossene, massive Körper aus einem halbleitenden Material hergestellt ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand 10~4 ßm bis 1 Qm beträgt.

3. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Körper aus Siliziumkarbit gefertigt ist.

4. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Körper aus einem mit Kohlenstoff, Graphit oder Metall dotierten Hochleistungs-Kunststoff gefertigt ist.

5. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der massive Körper die Form eines Rohres hat.

6. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen thermisch isolierten Mantel aufweist.

7. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement mindestens teilweise mit einer elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Schicht oder einem Isolationskörper bedeckt ist.

8. Elektrische Heizeinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement aus einer Platte besteht.

9. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kochplatte ist.

10. Elektrische Heizeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Heizplatte ist.

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