DE10021512A1 - Elektrische Heizeinheit, insbesondere für flüssige Medien - Google Patents
Elektrische Heizeinheit, insbesondere für flüssige MedienInfo
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Abstract
Eine insbesondere zur Beheizung von flüssigen Medien vorgesehene elektrische Heizeinheit (1) hat einen beispielsweise durch eine isolierte Edelstahlplatte gebildeten Träger (2), auf dem mindestens ein in Dickschichttechnik aufgebrachter elektrischer Heizwiderstand (10) sowie ein vorzugsweise ebenfalls in Dickschichttechnik aufgebrachter Temperatursensor (20) aufgebracht sind. Die Heizleiterkontakte (19) zum elektrischen Anschluß des Heizwiderstandes sowie die Sensorkontakte (24) zum Anschluß des Temperaturfühlers an eine Regelung sind in einem Anschlußbereich (26) derart räumlich konzentriert, daß sie durch eine gemeinsame Anschlußeinrichtung, insbesondere in Form einer fest am Träger angebrachten Steckkontakteinrichtung (30) kontaktierbar sind. Dadurch ist die elektrische Kontaktierung sämtlicher elektrisch aktiver Komponenten der Heizeinheit und vorzugsweise auch die Erdung der Heizeinheit mittels eines einzigen Gruppensteckers möglich.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinheit, insbe
sondere für flüssige Medien.
Zum Beheizen von flüssigen Medien im stehenden und/oder
durchlaufenden Zustand, beispielsweise in Boilern, Heißwas
sergeräten, Wasserkochern, Durchlauferhitzern, Geschirr
spülern o. dgl., werden heutzutage häufig Rohrheizkörper oder
darauf aufbauende Einrichtungen verwendet. Insbesondere bei
Wasserkochern o. dgl. werden auch schon elektrische Heizein
heiten eingesetzt, die einen beispielsweise keramischen
Träger aufweisen, auf dem zur Bildung mindestens einer
Heizzone mindestens ein in Flachleitertechnik, insbesondere
in Dickschichttechnik, aufgebrachter elektrischer Heizwider
stand angebracht ist. Ein Beispiel hierfür ist in der
DE 43 41 035 gezeigt. Zur Temperaturabschaltung und/oder
Regelung werden bei derartigen Heizeinheiten in der Regel
mechanische Bimetallschalter oder separat angebrachte,
elektronisch auswertbare Temperaturfühler verwendet. Die
Verdrahtung sowie die Montage derartiger Heizsysteme ist
aufgrund der Vielzahl herzustellender elektrischer Verbindun
gen aufwendig.
Aus der DE 35 45 454 ist eine als Kochstellenheizelement
ausgebildete elektrische Heizeinheit bekannt geworden, bei
der der Träger nicht nur einen in Dickschichttechnik aufge
brachten elektrischen Heizwiderstand trägt, sondern auch
einen der Heizzone zugeordneten, zur Abgabe eines elektri
schen Temperatursignals ausgebildeten Temperatursensor in
Form einer ebenfalls in Dickschichttechnik aufgebrachten
Meßwiderstandsbahn. Zur Vereinfachung des elektrischen
Anschlusses der Heizeinheit ist vorgesehen, daß die zum
elektrischen Anschluß des Heizwiderstandes vorgesehenen
Heizleiterkontakte in einem unbeheizten Bereich am Rand des
Trägers außerhalb der von dem elektrischen Heizwiderstand
belegten Heizzone fest am Träger angeordnet sind. Sie sind
dort beispielsweise durch einen über den Rand des Trägers
steckbaren Randstecker kontaktierbar. Die zum elektrischen
Anschluß der Meßwiderstandsbahn vorgesehenen Sensorkontakte
sind in einer zentralen, unbeheizten Zone des Trägers in
unmittelbarer Nähe eines Befestigungsbolzens angeordnet, der
der mechanischen Befestigung des Heizelementes in einer
Kochmulde dient. Im Bereich der Sensorkontakte sind im Träger
isolierte Durchführungselemente für die zum Anschluß des
Temperatursensors erforderlichen elektrischen Leitungen
vorgesehen, beispielsweise in Form von Keramikröhrchen. Auch
bei dieser elektrischen Heizeinheit sind elektrischer An
schluß und Montage relativ kompliziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere
zur Beheizung flüssiger Medien vorgesehene elektrische
Heizeinheit zu schaffen, die mit minimalem Arbeitsaufwand
elektrisch anschließbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektri
sche Heizeinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü
chen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch
Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße elektrische Heizeinheit hat demnach
einen Träger, auf dem zur Bildung mindestens einer Heizzone
mindestens ein in Flachleitertechnik, insbesondere in Dick
schichttechnik, aufgebrachter elektrischer Heizwiderstand
fest angebracht ist. Weiterhin ist am. Träger mindestens ein
der Heizzone zugeordneter Temperatursensor fest angebracht,
der zur Abgabe elektrischer Temperatursignale ausgebildet
ist, so daß die Signale des Temperaturfühlers elektronisch
auswertbar sind. Dem Träger sind zum elektrischen Anschluß
des Heizwiderstandes Heizleiterkontakte und zum elektrischen
Anschluß des Temperatursensors Sensorkontakte zugeordnet und
die Heizleiterkontakte und Sensorkontakte sind in einem
Anschlußbereich räumlich derart eng zusammengefaßt, daß sie
durch eine einzige, gemeinsame Anschlußeinrichtung kontak
tierbar sind.
Damit reicht es für den vollständigen Anschluß der elek
trischen Heizeinheit aus, die geeignet angepaßte Anschlußein
richtung an der Heizeinheit anzubringen, um sowohl die
elektrische Leistungsversorgung für den oder die Heizleiter
anzuschließen, als auch eine signalleitende Verbindung vom
Temperatursensor zu einer Auswerteeinrichtung für das Tempe
ratursignal zu schaffen. Der vorzugsweise im Randbereich des
Trägers in einer heizwiderstandsfreien Zone liegende An
schlußbereich hat vorteilhafterweise eine laterale Ausdehnung
von maximal nur wenigen Zentimetern, beispielsweise weniger
als 5 cm oder 4 cm, so daß alle trägerfesten Kontakte gemein
sam und ggf. in einem Arbeitsgang manuell oder maschinell
mittels einer geeigneten, manuell oder maschinell gut mani
pulierbaren Anschlußeinrichtung kontaktierbar sind. Damit ist
der vollständige elektrische Anschluß der Heizeinheit über
einen einzigen, gemeinsamen Gruppenanschlußkontakt möglich,
wodurch der Aufwand bei der Kontaktierung der Heizeinheit
minimal wird.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Temperatursensor eben
falls in Flachleitertechnik, insbesondere in Dickschichttech
nik, auf dem Träger angebracht, wodurch eine besonders flache
Bauform realisierbar ist. Es kann sich dabei insbesondere um
einen Meßwiderstand handeln, also um einen wärmeempfindlichen
Leiter mit stark negativen (NTC) oder stark positiven (PTC)
Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes.
Dadurch sind eindeutige, elektronisch einfach auswertbare
Temperatursignale erzeugbar.
Der Träger ist vorzugsweise zum direkten Kontakt mit dem zu
beheizenden Medium ausgebildet und hat dementsprechend eine
oder mehrere Heizflächen, mit denen er in flächigem Berüh
rungskontakt mit dem zu beheizenden Medium treten kann. Er
kann jede geeignete Form annehmen und beispielsweise durch
eine Keramikplatte oder -scheibe gebildet sein, auf deren
elektrisch nicht leitendes Material der Heizwiderstand und
der Temperatursensor direkt aufgebracht sein kann. Bei einer
bevorzugten Weiterbildung, die auf kostengünstige Weise die
Herstellung unterschiedlich geformter Träger ermöglicht,
weist der Träger einen vorzugsweise plattenförmigen, metall
ischen Trägerkern, beispielsweise aus Edelstahl, auf, auf den
mindestens eine Isolierschicht aufgebracht ist, die den
Heizwiderstand und ggf. den Temperatursensor trägt. Die
Isolierschicht kann insbesondere im Dickschichtverfahren
aufgebracht sein, beispielsweise durch Siebdruck. Ihre Dicke
kann im Bereich von z. B. 20 µm bis 250 µm liegen, beispiels
weise zwischen 50 µm und 100 µm. Auch die dem Heizwiderstand
abgewandten Außenflächen des Trägerkerns können teilweise
oder vollständig mit einer beispielsweise im Dickschichtver
fahren aufgebrachten Beschichtung versehen sein, um den
Träger elektrisch zu isolieren und/oder gegen Korrosion durch
das zu beheizende Medium zu schützen.
Insbesondere bei Ausführungsformen mit teilweise metallischem
Träger ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen,
daß im Anschlußbereich, also in unmittelbarer räumlicher Nähe
zu den Heizleiterkontakten und den Sensorkontakten, minde
stens ein Erdungskontakt zur Erdung der Heizeinrichtung
vorgesehen ist. Damit kann neben der Netzversorgung und dem
Sensoranschluß auch der Anschluß für die Erdung der Heizein
heit über eine gemeinsame Anschlußeinrichtung vollzogen
werden. Bei Ausführungsformen mit metallischem Trägerkern und
Isolierschicht kann hierzu vorgesehen sein, daß diese im
Anschlußbereich mindestens eine Ausnehmung bzw. Unterbrechung
zur elektrischen Kontaktierung des Trägerkernes bzw. zum
Anschluß eines Erdungskontaktes an den Trägerkern aufweist.
Da im Bereich von Isolierschichtausnehmungen der Trägerkern
direkt zugänglich ist, kann dieser Bereich ggf. auch zur
zugsicheren Befestigung einer gesonderten Anschlußeinrichtung
am Träger z. B. durch Anschweißen genutzt werden.
Die am Träger fest angebrachten flächigen Heizleiterkontakte
und Sensorkontakte sowie ggf. der mindestens eine Erdungskon
takt können beim Anschluß des Heizelementes dadurch kontak
tiert werden, daß direkt an die Kontaktflächen Drähte,
Kontaktelemente o. dgl. angelötet, angeschweißt oder auf
andere Weise elektrisch leitend fest mit den Kontaktflächen
verbunden werden. Es ist auch möglich, eine aufsteckbare
Anschlußeinrichtung vorzusehen, die so ausgebildet ist, daß
sie nach dem Aufstecken am Träger festhält und daß ihre
beispielsweise federnden Kontaktelemente mit den trägerfesten
Kontaktflächen kontaktieren. Besonders bevorzugt sind Ausfüh
rungsformen, bei denen eine am Träger mechanisch fest ange
brachte Steckkontakteinrichtung mit Steckkontakten vorgesehen
ist, die mit den Heizleiterkontakten, den Sensorkontakten und
ggf. mit den Erdungskontakten elektrisch leitend verbunden
sind. Eine derartige Gruppensteckkontakteinrichtung wird
zweckmäßig durch ein einziges, vom Träger gesondert herstell
bares Bauteil gebildet, das nach Fertigstellung des mit
seinen elektrisch aktiven Komponenten versehenen Trägers an
diesen fest angebracht wird und als eine Komponente einer
lösbaren elektrischen Steckverbindung dient, die einen
besonders bequemen elektrischen Anschluß insbesondere bei der
Montage ermöglicht. Die metallischen Steckkontakte können mit
den jeweils zugeordneten, trägerfesten Kontakten bzw. Kon
taktflächen auf jede geeignete Weise verbunden sein, die eine
elektrisch leitende, mechanisch feste Verbindung schafft,
insbesondere nach Art einer Schweißverbindung, einer Lötver
bindung und/oder einer (hilfsmittelfrei und ggf. kalt her
stellbaren) Anpreßverbindung.
Die Steckkontakte sind vorzugsweise als parallel zueinander
liegende Flachsteckzungen ausgebildet, die in einer in einem
Gehäuse der Steckkontakteinrichtung ausgebildeten Stecker
kammer angeordnet sind. Sie liegen dabei vorzugsweise in
einem vorgegebenen Raster mit einem vorgegebenen Abstand
voneinander oder einem Vielfachen davon parallel zueinander
und in Reihe nebeneinander in der Steckerkammer. Dadurch, daß
mehrere zu einem Zu- oder Abgangsleitungsstrang bzw. -kabel
baum gehörende Flachsteckanschlüsse im Inneren einer Stecker
kammer angeordnet sind, liegen sie völlig geschützt und zwar
sowohl gegen mechanische, als auch gegen die elektrische
Sicherheit beeinflussende Gegebenheiten. Die Anschlüsse
können in einem sehr engen, beispielsweise einem 5 mm-Raster
vorgesehen sein, ohne daß Kurzschlüsse oder Überhitzungen zu
befürchten sind.
Vorzugsweise hat die Steckkontakteinrichtung eine mechanische
Codierung, die dazu dient, ein verwechselungssicheres Zusam
menstecken der am Träger angebrachten Steckkontakteinrichtung
mit einer komplementären, an einem Anschlußleiterstrang
vorgesehenen Steckerbuchse sicherzustellen. Dadurch kann ein
wesentliches Fehlerpotential bei der Montage und bei einer
evtl. erforderlichen Reparatur der Heizeinheit ausgeschaltet
werden, da Fehlkontaktierungen ausgeschlossen werden. Die
mechanische Codierung kann beispielsweise parallel zur
Steckrichtung verlaufende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge
aufweisen, die bzgl. ihrer Anzahl, Dimension und/oder Posi
tion relativ zu der Steckerkammer bei unterschiedlich anzu
schließenden Steckereinrichtungen unterschiedlich sind.
Das vom Temperatursensor abgegebene, elektrische Temperatur
signal kann zur Anzeige und/oder zur Regelung oder Steuerung
der Temperatur des Heizelementes genutzt werden. Insbesondere
kann mit Hilfe des Temperatursensors im unsachgemäßen Ge
brauch des Heizelementes, beispielsweise beim Betrieb ohne
Wärmeabnahme, eine Übertemperatur detektiert und das Heizele
ment über die angeschlossene elektronische Regelung abge
schaltet und damit vor Schädigung geschützt werden. Vorzugs
weise hat die Heizeinheit eine integrierte Überlastsicherung,
die unabhängig von einer derartigen Auswertung des Tempera
tursignales das Heizelement vor Überbelastung und ggf.
Beschädigung schützen und somit ggf. als integrierte zweite
Sicherheit dienen kann. Die Überlastsicherung kann insbeson
dere in Form mindestens einer Schwachstelle nach Art einer
Schmelzsicherung ausgebildet sein, die im Leiterverlauf
zwischen den Heizleiterkontakten angeordnet ist. Es kann sich
dabei beispielsweise um einen gedruckten Widerstand handeln,
der einen niedrigeren elektrischen Widerstand als der Heiz
leiter hat, beispielsweise mit nur 1% bis 2% des Heizleiter
widerstandes und der sich in Serie in einer Zuleitung der
Versorgungsspannung auf dem Träger befindet. Die Flächen
leistung des Vorwiderstandes ist im kalten Zustand zweckmäßig
höher gewählt als die Flächenleistung des Heizleiters, so daß
im Falle eines unsachgemäßen Betriebes, beispielsweise beim
Trockengehen der Heizeinheit, dieser Widerstand zerstört und
die Heizung abgeschaltet wird. Die Schwachstelle kann auch
durch eine Leiterbahnverengung im Verlauf des Heizwiderstan
des gebildet sein.
Die Form des Trägers und die entsprechende Anbringung des
Heizwiderstandes und des Temperatursensors kann entsprechend
der vorgesehenen Anwendung gewählt werden. So sind beispiels
weise für Eierkocher, Wasserboiler o. dgl. im wesentlichen
flache, insbesondere runde Trägerscheiben vorgesehen. Ggf.
kann ein Träger an mindestens einer Stelle eine vorzugsweise
durch Verformung des Trägers hergestellte Versteifung gegen
Schwingungen aufweisen, insbesondere in Form eines aufgeboge
nen Randabschnittes. Dadurch kann der Träger so weit gegen
von außen eingeleitete Schwingungskräfte versteift werden,
daß die daran angebrachten elektrischen Funktionseinrichtun
gen, wie der Heizleiter und der Temperatursensor, keine
schwingungsbedingten Schäden erleiden.
Bei anderen Ausführungsformen, die beispielsweise zum Aufbau
von Durchflußerhitzern verwendbar sind, ist der Träger als
Trägerrohr ausgebildet, an dem, vorzugsweise an seiner
Außenseite, der Heizleiter bzw. Heizwiderstand und der
mindestens eine Temperatursensor angebracht sind. Dabei kann
es insbesondere so sein, daß in Längsrichtung des Rohres auf
beiden Seiten einer durch den oder die Heizleiter beheizten
Heizzone mindestens ein Temperatursensor angebracht ist.
Dadurch kann die Temperatur des zu beheizenden, durch das
Rohr strömenden Mediums einlaßseitig und auslaßseitig gemes
sen werden. Durch Auswertung dieser Temperatursignale kann
beispielsweise die Durchflußmenge ermittelt werden.
Bei allen erfindungsgemäßen Heizeinheiten ist es möglich, die
Beheizung in einem einfachen Kreissystem oder in mehreren
Heizkreisen auf dem isolierenden Träger aufzubringen. Bei
Mehrkreissystemen kann die Leistung nach Wunsch auf die
Leistungskreise verteilt werden. Der oder die Heizleiter
eines Heizkreises können dabei seriell oder parallel angeord
net sein, wobei bevorzugt eine parallele Anordnung gewählt
wird, damit im Falle eines Ausfalls eines Heizleiters die
Heizeinheit als solche funktionstüchtig bleibt. Durch geeig
nete Wahl der Heizkreise können auch unterschiedliche Span
nungsvarianten geschaltet werden.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei
die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu
mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausfüh
rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführun
gen darstellen können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den
Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schrägperspektivische Ansicht der Unter
seite einer als Boden für einen Wasserkocher
verwendbaren, erfindungsgemäßen elektrischen
Heizeinheit mit einer fest am Träger der
Heizeinheit angebrachten Steckkontakteinrich
tung;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig.
1 und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Abwicklung
einer elektrischen Heizeinheit in Form eines
Durchflußerhitzers.
Die schrägperspektivische Darstellung in Fig. 1 zeigt einen
Ausschnitt der Unterseite einer elektrischen Heizeinheit 1,
die beispielsweise den Boden eines Wasserkochers bilden kann.
Die Heizeinheit umfaßt einen kreisrunden, flachen Träger 2,
dessen Oberseite 3 eine Heizfläche bildet, die direkt mit dem
zu beheizenden flüssigen Medium in Kontakt treten kann. Der
Träger hat einen metallischen Trägerkern 4 in Form einer
kreisrunden Edelstahlplatte, die durch einen Formziehprozeß
mit einem umlaufenden, nach oben gerichteten Ziehradius bzw.
Rand 5 versehen ist, der unter anderem der Versteifung des
Trägers gegen von außen eingeleitete Schwingungskräfte dient.
Auf der ebenen Unterseite des Trägerkerns 4 ist im Siebdruck
verfahren eine Isolierschicht 6 aufgebracht, die glasartige
und keramische Phasen aufweist und die durch Wärmebehandlung
einer entsprechenden Dickschichtpaste hergestellt wurde. Die
fest auf der Unterseite des Trägerkörpers 4 haftende Isolier
schicht hat eine im wesentlichen gleichförmige Dicke von ca.
80 µm und bedeckt die gesamte ebene Unterseite mit Ausnahme
zweier jeweils im wesentlichen rechteckiger Aussparungen 7,
8, deren Größe jeweils ca. 1/2 cm2 beträgt und in deren
Bereich die metallische Unterseite des Trägerkerns 4 frei
liegt.
Auf der dem Trägerkörper abgewandten, im wesentlichen ebenen
freien Oberfläche der Isolierschicht 6 ist mit flächigem
Kontakt zu dieser ein elektrischer Heizwiderstand 10 fest
haftend angeordnet. Der Heizwiderstand bzw. Heizleiter 10
bildet die stromdurchflossene Wärmequelle der elektrischen
Heizeinheit 1 und ist in Dickschichttechnik durch Siebdruck
und nachfolgende Wärmebehandlung auf die Isolierschicht 6
bzw. den elektrisch isolierenden Träger 2 aufgebracht. Der
Heizwiderstand 10 weist mehrere, konzentrisch zueinander
angeordnete, kreisbogenförmige Heizleiterbahnsegmente auf,
die eine die Form eines nicht vollständig geschlossenen
Ringes einnehmende Heizzone beheizen, die in radialer Rich
tung außen von äußeren Heizwiderstandsbahnsegmenten 12, 13
und nach innen durch ein inneres Heizwiderstandsbahnsegment
14 begrenzt ist. Um das Zentrum des Trägers ist im Inneren
des inneren Heizwiderstandsbahnsegmentes 14 eine etwa kreis
förmige, heizleiterfreie Zone 15 gebildet, an die sich in
Radialrichtung eine zwischen den Umfangsenden der Heizleiter
bahnsegmente gebildete radiale heizleiterfreie Zone 16
anschließt, in deren Bereich auch die mit radialem Abstand
zueinander angeordneten Ausnehmungen 7, 8 liegen. Die in
Radialrichtung mit einem Abstand von jeweils ca. 1 mm zuein
ander angeordneten Heizleiterbahnsegmente sind im Bereich
ihrer Umfangsenden teilweise mit ebenfalls in Dickschicht
technik aufgebrachten Verbindungsstreifen 17 derart unterein
ander verbunden, daß alle Heizleiterbahnsegmente in Serie
geschaltet sind. Von den einander zugewandten Enden der
äußeren Heizleiterbahnsegmente 12, 13 führen ebenfalls in
Dickschichttechnik auf die Isolierschicht aufgebrachte
Zuleitungsbahnen 18 bis zu zwei in Dickschichttechnik aufge
brachten Heizleiterkontaktflächen, von denen nur die Kontakt
fläche 19 in Fig. 1 erkennbar ist. Bei Anlegen einer Versor
gungsspannung an die Heizleiterkontakte 19 wird also die
gesamte Heizzone mittels des elektrischen Heizwiderstandes
10 flächig und im wesentlichen mit gleichmäßig verteilter
Flächenleistung beheizt.
Im Bereich der zentrischen, heizleiterfreien Zone 15 ist mit
radialem Abstand zu der mit Heizwiderständen belegten Heiz
zone ein Temperatursensor 20 ebenfalls im Dickschichtverfah
ren auf die Isolierschicht 6 bzw. den Träger 2 aufgebracht.
Der Temperatursensor wird im wesentlichen durch eine mäander
förmig verlaufende Leiterbahn 21 aus elektrischem Wider
standsmaterial mit einem stark positiven Temperaturkoeffi
zienten des elektrischen Widerstandes (PTC-Widerstand)
gebildet und kann beispielsweise im wesentlichen aus Platin
hergestellt sein. Der eng mäandrierende Verlauf der Sensor
material-Leiterbahn ermöglicht es, daß auf der relativ
kleinen, im wesentlichen rechtwinklig begrenzten Fläche des
Temperatursensors auf engem Raum eine sehr lange Leiterbahn
des Widerstandsmaterials untergebracht ist, so daß sich der
Widerstand des Temperatursensors insgesamt bei Temperaturver
änderungen deutlich meßbar ändert. Die beiden Enden der
Leiterbahn 21 sind über in Dickschichttechnik auf die Iso
lierschicht 6 aufgebrachte Verbindungsbahnen 22, 23 mit in
Dickschichttechnik auf dem Träger aufgebrachten Sensorkon
taktflächen verbunden, von denen nur die Sensorkontaktfläche
24 in Fig. 1 erkennbar ist. Die Verbindungsbahnen 22, 23
können, genau wie die Verbindungsstreifen 17 zwischen den
Heizmaterialbahnsegmenten und die Verbindungsbahnen 18
zwischen den Heizleiterkontakten 19 und dem Widerstands
material durch ein Material mit relativ geringem elektrischen
Widerstand, beispielsweise Silber, gebildet sein.
Zur elektrischen Isolation nach außen sowie zum Schutz gegen
mechanische Beschädigung und andere Beschädigungen, bei
spielsweise durch Korrosion, ist eine weitere, in Dick
schichttechnik aufgetragene Isolationsschicht 25 vorgesehen,
die mit Ausnahme der Heizleiterkontaktflächen 19 alle strom
führenden Elemente der Widerstandsheizung und, mit Ausnahme
der Sensorkontaktflächen 24, alle stromdurchflossenen Elemen
te des Temperatursensors und seiner Zuleitungen nach außen
abdeckt. Die äußere Schutzschicht 25 wird so aufgebracht, daß
neben den Kontaktflächen 19, 25 auch die Bereiche der Aus
sparungen 7, 8 unbedeckt bleiben, so daß im Bereich der
Aussparung 7, 8 ein elektrisch leitender Zugang zum
metallischen Trägerkern 4 verbleibt.
Eine Besonderheit liegt nun darin, daß die Heizleiterkontakt
flächen 19 zum elektrischen Anschluß der Heizwiderstände an
eine Steuereinheit der die Heizeinheit 1 aufweisenden Vor
richtung sowie die Sensorkontaktflächen 24 zum Anschluß des
Temperatursensors 20 an die Steuereinheit in einen flächen
mäßig recht kleinen Anschlußbereich 26 mit geringem lateralen
Abstand zueinander liegen. Der Anschlußbereich liegt inner
halb der heizleiterfreien Zone 16 zwischen den einander
zugewandten Umfangsenden der Heizwiderstandsbahnen und umfaßt
auch die beiden Ausnehmungen 7, 8, in deren Bereich der
Edelstahlkern 4 des Trägers kontaktiert werden kann, um den
Edelstahlträgerkern zu erden. Im Beispiel hat der Anschluß
bereich eine radiale Länge von etwa 4 cm und eine Umfangs
breite von maximal ca. 3 cm. Da in diesem Bereich alle für
den elektrischen Anschluß der Heizeinheit erforderlichen
Kontakte räumlich konzentriert sind, kann der elektrische
Gesamtanschluß der Heizeinheit bequem unter Herstellung aller
erforderlichen elektrischen Verbindungen im Anschlußbereich
26 erfolgen.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Heizeinheit 1 über
eine einzige Steckverbindung vollständig elektrisch kontak
tierbar, wobei die einfach z. B. bei der Montage herstellbare
und jederzeit, beispielsweise für Reparaturzwecke lösbare
Steckverbindung alle Anschlüsse für den elektrischen Heizwi
derstand, alle Anschlüsse für den Temperatursensor 20 und
auch Anschlüsse zur Erdung der Heizeinheit umfaßt. Der
trägerfeste Teil der Steckverbindung wird durch eine Steck
kontakteinrichtung 30 gebildet, die ein Kunststoffgehäuse 31
in Form eines zur Anschlußseite hin offenen und zum Träger
hin mittels eines Bodens 32 weitgehend geschlossenen Kastens
hat. Die senkrecht zur Trägerfläche stehenden Wände des
Gehäuses sowie der Boden schließen eine Steckerkammer ein,
in der Steckkontakte in Form von Flachsteckzungen 34 bis 38
angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet sind,
senkrecht vom Boden 32 nach außen abstehen und in einer Reihe
mit einem gleichmäßigen Rasterabstand von im Beispiel 5 mm
angeordnet sind. Ein weiterer Flachsteckkontakt 39 ist
außerhalb der eigentlichen Steckerkammer innerhalb einer
Ausnehmung einer am Gehäuse angebrachten Stirnabdeckung 40
untergebracht. Die Flachsteckzungen 34 bis 39 werden jeweils
durch gleich dimensionierte Kopfabschnitte von metallischen
Kontaktelementen gebildet, die den Boden 32 durchgreifen, im
Boden fest verankert sind und jeweils Fußabschnitte 41 bis 44
aufweisen, die derart angeordnet und dimensioniert sind, daß
die Fußabschnitte bei lagerichtigem Aufsetzen der Steckkon
takteinrichtung auf den Träger im Bereich der Kontaktflächen
19 bzw. 24 bzw. im Bereich der Ausnehmungen 7, 8 liegen.
Die elektrische Kontaktierung zwischen den Dickschichtkontak
ten 19, 24 für den Anschluß der Heizwiderstände bzw. des
Temperatursensors und der auch als Messerleiste bezeichen
baren Steckkontakteinrichtung kann mit einem Schweißverfah
ren, einem Lötverfahren und/oder in einem Anpreßverfahren
erfolgen. Durch diese Kontaktierung ist gleichzeitig auch
eine mechanische Befestigung der Steckkontakteinrichtung am
Träger geschaffen.
Besonders vorteilhaft bei der gezeigten Ausführungsform ist
es, daß die Fußabschnitte 43, 44 des ersten bzw. letzten
Steckkontaktes der Messerleiste direkt, beispielsweise durch
Anschweißen, an dem Edelstahlkern 4 des Trägers 2 befestigt
sind. Dadurch ist einerseits eine Erdung des Edelstahlträgers
durch Kontaktierung der zugeordneten Flachsteckzungen 34
und/oder 39 möglich. Durch die Fixierung an gegenüberliegen
den Seiten ist außerdem eine zuverlässige Zugentlastung für
die Messerleiste 30 gewährleistet, so daß sichergestellt ist,
daß auch bei mehrmaligem Herstellen und Lösen der Steckver
bindung oder bei ungünstiger Kabelführung des anzuschließen
den Kabelbaumes eine Beschädigung im Bereich der Steckkon
takteinrichtung 30 weitgehend ausgeschlossen ist. Insbesonde
re sind die zu den Dickschichtkontakten 19, 24 führenden
Verbindungen von äußeren mechanischen Kräften entlastet.
Ein weiterer Vorteil dieser Gruppenstecktechnik besteht
darin, daß bei der gezeigten Ausführungsform durch spezielle
Formgebung des Steckergehäuses 31 ein unverwechselbarer
Steckanschluß geschaffen ist, durch den Fehlverdrahtungen
vermieden werden. Hierzu ist an der Steckkontakteinrichtung
30 eine mechanische Codierung vorgesehen, die sicherstellt,
daß nur ein Kabelbaum oder Leitungsstrang mit der richtigen,
zugehörigen Steckerbuchse anschließbar ist. Die mechanische
Codierung umfaßt in den sebkrecht zum Boden 32 bzw. zur
Trägerfläche ausgerichteten Seitenwänden des Gehäuses 31
ausgebildete Ausnehmungen 46 bzw. Vorsprünge 47, die bei
unterschiedlichen Steckeinrichtungen bzgl. Anzahl, Dimension
und/oder Position relativ zur Steckkammer so unterschiedlich
ausgebildet sein können, daß nur jeweils die richtige Steck
buchse einführbar ist. Dadurch wird ein wesentliches Fehler
potential bei der Montage und auch bei einer eventuellen
Reparatur des die Heizeinheit aufweisenden Elektrogerätes
ausgeschaltet.
Anhand von Fig. 3 wird der Aufbau einer anderen Ausführungs
form einer Heizeinheit 50 erläutert, bei der der Träger 51
die Form eines in Umfangsrichtung 52 geschlossenen Rohres
hat, durch das das zu beheizende Medium, beispielsweise
Wasser, in Längsrichtung 53 durch die elektrische Heizeinheit
läuft. Fig. 3 zeigt stark schematisch eine Abwicklung der
Außenseite eines derartigen Durchflußerhitzers. Der Träger
besteht im wesentlichen aus einem Edelstahlrohr 49, auf
dessen Außenseite eine Isolierschicht 54 in Dickschicht
technik aufgebracht wurde. Diese hat im Anschlußbereich 55
zwei Ausnehmungen 56, 57, in deren Bereich das metallische
Trägermaterial freiliegt. Auf die Isolierschicht 54 ist in
Dickschichttechnik ein elektrischer Heizwiderstand 58 aufge
bracht, dessen Heizleiterbahn einen mäandrierenden Verlauf
mit parallel zur Längsrichtung 53 langen und in Umfangsrich
tung kurzen Abschnitten aufgebracht ist und der eine Heizzone
beheizt, die den größten Teil des Umfanges, beispielsweise
auf einem Umfangswinkel zwischen 300° und 340°, beheizt.
Auf der Isolierschicht 54 sind außerdem drei Temperatursen
soren 59, 60, 61 in Dickschichttechnik aufgetragen, die in
Durchflußrichtung 53 voneinander beabstandet sind. Dabei
liegen die beiden auf axialer Höhe des Anschlußbereiches
angeordneten Temperatursensoren 59, 60 in Durchflußrichtung
vor der durch die Heizleiterwindungen 58 bestimmten Heizzone,
während der dritte Temperatursensor 61 hinter der Heizzone
liegt. Diese Leiteranordnung kann außen durch eine weitere
Isolierschicht schützend abgedeckt sein.
Eine am Träger fest angebrachte Steckkontakteinrichtung 65
dient analog der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 be
schriebenen Steckereinrichtung 30 dem elektrischen Anschluß
sowohl der drei Temperaturfühler 59, 60, 61, als auch des
Heizleiters 58 mit einem nicht gezeigten Kabelstrang, der
sowohl die Versorgungsleitungen für die Heizung, als auch die
Signalleitungen für die Temperaturerfassung enthält. Die in
Längsrichtung des Rohres langgestreckte, stromaufwärts des
Heizwiderstandes 58 im Einlaßbereich des Rohres angeordnete
Messerleiste 65 enthält neun Flachsteckkontakte, von denen
das Flachsteckerpaar 66 zum Anschluß des Heizleiters, die
drei Flachsteckerpaare 67 zum Anschluß der Temperaturfühler
und der Flachsteckkontakte 68 der Erdung des Trägers dient,
wozu das die Flachsteckzunge 68 bildende Kontaktelement im
Bereich der Randausnehmung 56 der Isolierschicht direkt an
das metallische Rohr des Durchflußerhitzers 50 angeschweißt
ist. Hierdurch ist in Verbindung mit einer entsprechenden
Fixierung am gegenüberliegenden Ende der Messerleiste 65
gleichzeitig auch eine zugsichere mechanische Befestigung
gegeben.
Eine Besonderheit dieses in Rohrform ausgebildeten Heizele
mentes besteht darin, daß dank der mehreren Temperaturfühler,
von denen mindestens einer (Fühler 59, 60) in Längsrichtung
53 vor der Heizzone und mindestens einer hinter der Heizzone
liegt, die Temperatur des zu beheizenden Mediums am Einlaß
und am Auslaß der Heizstrecke bestimmbar ist. Aus diesen
beiden Temperaturwerten kann die Durchflußmenge abgeleitet
werden. Entsprechend enthält die Heizeinheit 50 z. B. mit den
Temperaturfühlern 59 und 61 auch einen integrierten Sensor
zur Durchflußmessung bzw. zur Bestimmung der Durchflußmenge.
Zweckmäßig ist es dabei, wenn die wärmeempfindlichen Leiter
materialien der Temperatursensoren einen Abstand zum Heiz
leiter haben; der mindestens der einfachen Dicke des Träger
materials entspricht. Vorzugsweise beträgt ein Abstand eines
für die Bestimmung der Medientemperatur vorgesehenen Tempera
tursensors mindestens das Doppelte der Trägermaterialdicke.
Dadurch wird erreicht, daß die Temperatur am Ort des Sensors
im wesentlichen durch die Temperatur des zumessenden Mediums
bestimmt ist, während die am Heizleiter erzeugte Wärme
vorwiegend zum Medium abgezogen wird und praktisch nicht
direkt zum Temperatursensor gelangen kann.
Es ist auch möglich, mit Hilfe eines oder mehrerer wärme
empfindlicher Leiter das Entstehen einer Übertemperatur zu
detektieren, um zur Sicherung des Heizelementes gegen Beschä
digung dieses über den elektronischen Regler abzuschalten.
Hierfür ist es zweckmäßig, wenn der wärmeempfindliche Leiter
eines hierfür vorgesehenen Temperaturfühlers, z. B. der Sensor
60, einen kleineren Abstand zum Heizleiter hat als die
zweifache Dicke des Trägermaterials. Dadurch können schnelle
Reaktionszeiten sichergestellt werden. Der wärmeempfindliche
Leiter kann dabei z. B. auch unter oder über dem Heizleiter
angeordnet und durch eine Isolatorschicht von diesem elek
trisch isoliert sein.
Eine weitere Besonderheit der Heizeinheit 50 liegt darin, daß
sie eine von der Regelung der Heizeinrichtung unabhängige
Überlastsicherung bzw. Übertemperatursicherung hat. Hierzu
ist ein gedruckter Sicherungswiderstand 69 vorgesehen, der in
Serie in die Zuleitung der Versorgungsspannung für den
Heizleiter 58 geschaltet ist und damit vom Versorgungsstrom
durchströmt wird. Das Material des Sicherungswiderstandes 69
hat einen höheren positiven Temperaturkoeffizienten als das
Material des Heizleiters, so daß sein Widerstand bei steigen
der Temperatur stärker steigt als derjenige des Heizleiters.
Die Flächenleistung des Vorwiderstandes 69 ist vorzugsweise
im kalten Zustand höher gewählt als die Flächenleistung des
Heizleiters. Im Falle eines unsachgemäßen Gebrauchs der
Heizeinheit, beispielsweise beim Trockengehen, also beim
Betrieb ohne Wärmeabnahme, wird dieser Widerstand zerstört
und die Zuleitung zwischen Anschlußeinrichtung 65 und Heizwi
derstand 58 unterbrochen. Eine derartige nach Art einer
Schmelzsicherung arbeitende Schwachstelle kann selbstver
ständlich auch bei Ausführungsformen der in Fig. 1 und 2
gezeigten Art vorgesehen sein.
Claims (15)
1. Elektrische Heizeinheit, insbesondere für flüssige
Medien, mit einem Träger (2; 51), auf dem zur Bildung
mindestens einer Heizzone mindestens ein in Flachleiter
technik, insbesondere in Dickschichttechnik, aufgebrach
ter elektrischer Heizwiderstand (10; 58) sowie minde
stens ein der Heizzone zugeordneter, zur Abgabe elektri
scher Temperatursignale ausgebildeter Temperatursensor
(20; 59; 60; 61) fest angebracht ist, wobei dem Träger
zum elektrischen Anschluß des Heizwiderstandes Heizlei
terkontakte (19) und zum elektrischen Anschluß des
Temperatursensors Sensorkontakte (24) zugeordnet sind
und die Heizleiterkontakte und Sensorkontakte in einem
Anschlußbereich (26; 55) räumlich derart eng zusammenge
faßt sind, daß sie durch eine gemeinsame Anschlußein
richtung (30; 65) kontaktierbar sind.
2. Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Temperatursensor (20; 59, 60, 61) in
Flachleitertechnik, insbesondere in Dickschichttechnik,
auf dem Träger (2; 51) aufgebracht ist, wobei es sich
bei dem Temperatursensor vorzugsweise um einen Meßwider
stand handelt.
3. Heizeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Träger (2; 51) einen vorzugsweise platten
förmigen metallischen Trägerkern (4; 49) aufweist, auf
dem mindestens eine elektrisch isolierende Isolier
schicht (6; 54) zum Tragen des Heizwiderstandes (10; 58)
und ggf. des Temperatursensors (20; 59, 60, 61) ange
bracht ist.
4. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußbereich (26; 55)
in räumlicher Nähe zu den Heizleiterkontakten (19) und
den Sensorkontakten (24) mindestens ein Erdungskontakt
(7, 8; 56) zur Erdung der Heizeinrichtung vorgesehen
ist.
5. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine an dem Träger (2; 51)
fest angebrachte Steckkontakteinrichtung (30; 65)
vorgesehen ist, die Steckkontakte (34 bis 39; 66 bis 68)
aufweist, die mit jeweils zugeordneten Heizleiterkontak
ten (19), Sensorkontakten (24) und ggf. dem Erdungskon
takt (7, 8; 56) elektrisch leitend verbunden sind.
6. Heizeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steckkontakte als parallel zueinander liegende
Flachsteckzungen (34 bis 39; 66 bis 68) ausgebildet
sind, die in einem Gehäuse (31) der Steckkontakteinrich
tung (30; 65) mit vorzugsweise gleichem Abstand zueinan
der in Reihe angeordnet sind.
7. Heizeinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steckkontakteinrichtung (30; 65) eine
mechanische Codierung zum verwechslungssicheren Zusam
menstecken der Steckkontakteinrichtung mit einer an
einem Anschlußleitungsstrang vorgesehenen Steckbuchse
aufweist, wobei die mechanische Codierung vorzugsweise
parallel zur Steckrichtung verlaufende Ausnehmungen (46)
und/oder Vorsprünge (47) aufweist, die bzgl. ihrer
Anzahl, Dimension und/oder Position relativ zu der
Steckerkammer bei unterschiedlich anzuschließenden
Steckkontakteinrichtungen unterschiedlich sind.
8. Heizeinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steckkontakteinrichtung (30; 65)
zur Bildung von mechanisch festen elektrisch leitenden
Verbindungen an trägerfesten Kontakten (19, 24, 7, 8)
angeschweißt, angelötet und/oder mittels einer Anpreß
verbindung befestigt ist, wobei vorzugsweise die Steck
kontakteinrichtung (30; 65) an mindestens einer Stelle,
vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Stellen, an
einem metallischen Trägerkern (4; 49) des Trägers
angeschweißt ist.
9. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine integrierte Über
lastsicherung hat, die vorzugsweise mindestens eine
Schwachstelle (69) nach Art einer Schmelzsicherung
aufweist, die im Leiterverlauf zwischen den Heizleiter
kontakten angeordnet ist, wobei insbesondere die
Schwachstelle durch einen auf den Träger aufgedruckten
Sicherungswiderstand (69) gebildet ist.
10. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Übertempe
ratursicherung mindestens ein Temperatursensor (60)
derart nahe bei einem Heizwiderstand (58) angeordnet
ist, daß bei Abwesenheit eines zu beheizenden Mediums
eine schnelle Wärmeleitung zwischen Heizwiderstand und
Temperatursensor erfolgt, wobei vorzugsweise ein Abstand
zwischen dem Heizwiderstand (58) und dem Temperatursen
sor (60) geringer ist als das Doppelte des Abstandes
zwischen Heizleiter und beheizbarem Medium, insbesondere
kleiner als die zweifache Dicke des Trägermaterials.
11. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (51) zur Bildung
einer vom zu beheizenden Medium durchströmbaren Heizein
richtung als Trägerrohr ausgebildet ist, wobei vorzugs
weise der Heizwiderstand (58) und/oder der Temperatur
sensor (59, 60, 61) an der Außenseite des Trägerrohres
angebracht ist.
12. Heizeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß in Längsrichtung (53) des Trägerrohres mindestens
ein Temperaturfühler (59, 61) vor einer mit Heizwider
stand (58) belegten Heizzone und mindestens ein Tempera
tursensor (61) hinter der Heizzone angeordnet ist.
13. Heizeinheit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß sie einen integrierten Sensor zur Bestim
mung der Durchflußmenge des Mediums durch das Trägerrohr
aufweist, wobei der Sensor mindestens einen in Durch
strömungsrichtung (53) vor einer Heizzone angebrachten
Temperatursensor (59) und mindestens einen in Durchströ
mungsrichtung hinter einer Heizzone angebrachten Tempe
ratursensor (61) umfaßt, wobei insbesondere die Tempera
tursensoren (59, 61) des Durchflußsensors einen Abstand
zu dem Heizleiter (58) haben, der mindestens der ein
fachen Dicke des Trägermaterials entspricht.
14. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Tempera
tur des beheizten Mediums mindestens ein Temperatursen
sor vorgesehen ist, dessen Abstand zu einem Heizleiter
mehr als das Doppelte der Dicke des Trägermaterials
beträgt.
15. Heizeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung einer
guten Wärmeankopplung zwischen Heizwiderstand und
Temperatursensor mindestens ein vorzugsweise in Flach
leitertechnik hergestellter Temperatursensor oberhalb
oder unterhalb eines in Flachleitertechnik hergestellten
Heizleiters angeordnet und durch eine Isolatorschicht
von diesem elektrisch isoliert ist.
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