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Die
Erfindung geht aus von einem Heizeinsatz mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein solcher Heizeinsatz ist
aus der
DE 91 02 908
U1 bekannt.
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Aus
der
EP 0 285 839 A2 ist
ein elektrisch beheizbares Kochgefäß, insbesondere zum Erhitzen von
Trinkwasser, bekannt, welches einen Heizeinsatz mit einem aus rostfreiem
Stahl bestehenden Gefäßboden hat,
an dessen Unterseite ein elektrischer Heizkörper in Gestalt eines Rohrheizkörpers durch Löten befestigt
ist. Der Heizeinsatz ist in einen aus Kunststoff bestehenden Behälter eingesetzt.
Solche Heizgefäße müssen mit
einem Trockengehschutz ausgestattet sein, welcher sicherstellt,
daß der
Heizkörper
nicht überhitzt
und der Kunststoffbehälter nicht
beschädigt
wird, wenn sich zu wenig oder gar keine Flüssigkeit im Kochgefäß befindet.
Zu diesem Zweck offenbart die
EP 0 285 839 A2 einen profilierten Gefäßboden mit
einer Senke in der Mitte und mit einer Senke am äußeren Rand, welcher mit dem Kunststoffgefäß verbunden
ist. Der Heizkörper
erstreckt sich in den demgegenüber
höher liegenden Bereich
des Gefäßbodens
und an der höchsten
Stelle des Gefäßbodens
ist an dessen Unterseite in unmittelbarer Nachbarschaft des Heizkörpers ein
Temperaturschalter oder wenigstens der Temperaturfühler eines
Temperaturschalters angeordnet. Dadurch soll erreicht werden, daß bei abnehmendem
Wasserstand der Bodenbereich, in welchem der Temperaturfühler angeordnet
ist, als erstes wasserfrei wird, sich erhitzt und dadurch die Abschaltung
des Heizkörpers auslöst, bevor
das Wasser völlig
verdampft ist und das Kochgefäß Schaden
nimmt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solches Kochgefäß nicht
sicher genug ist, insbesondere in den nicht auszuschließenden Fällen, daß das Kochgefäß schräg steht
oder in trockenem Zustand eingeschaltet wird. Dann kann es durch übermäßige Erhitzung
zu einer Beschädigung des
Heizkörpers
und/oder zu einer Verkürzung
seiner Lebensdauer und zu einer Beschädigung des Kunststoffgefäßes kommen.
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Aus
der
DE 91 02 908 U1 ist
ein elektrisch beheizbares Wassergefäß bekannt, welches einen Heizeinsatz
mit einem aus nicht rostendem Stahl bestehenden Gefäßboden hat,
welcher unter Ausbildung einer schwachen Erhebung in der Mitte profiliert ist
und an seiner tiefsten Stelle an seiner Unterseite mit einem Rohrheizkörper verlötet ist.
Vom Rohrheizkörper
führt eine
aus Aluminium bestehende Wärmebrücke zu einer
thermischen Sicherung, welche den Rohrheizkörper abschaltet, wenn dieser
zu heiß wird. Durch
die Gestalt des Gefäßbodens
soll sichergestellt werden, daß der
Bereich des Gefäßbodens,
unter welchem sich der Rohrheizkörper
befindet, nicht oberhalb der Wasseroberfläche liegen kann, und daß eine übermäßige Erwärmung des
Rohrheizkörpers mittels
der Wärmebrücke, welche
die Wärme
besser leitet als der Gefäßboden,
rasch an eine Temperatursicherung übertragen wird. Die Temperatursicherung und
ein Temperaturregler, welche dem Heizeinsatz zugeordnet sind, sind
mit der Unterseite des Gefäßbodens
verschraubt. Zu diesem Zweck ist an der Mitte des Gefäßbodens
ein Gewindebolzen angeschweißt,
der die Wärmebrücke durchgreift.
Nachteilig dabei ist, daß die
Stelle, an welcher der Gewindebolzen angeschweißt ist, auf der Oberseite des
Gefäßbodens
sichtbar ist. Das ist unerwünscht,
weil es das gute Aussehen des Gefäßbodens beeinträchtigt.
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Ein
weiterer Nachteil des aus der
DE 91 02 908 U1 bekannten Heizeinsatzes liegt
darin, daß er bei
größeren Heizleistungen,
wie sie für
Wasserkocher erwünscht
sind, zu Verformungen des dünnen Gefäßbodens
neigt. Dem könnte
man zwar durch eine stärkere
Profilierung und/oder durch eine größere Dicke des Gefäßbodens
begegnen. Eine stärkere Profilierung
ist aber wegen des Aussehens und der schlechten Reinigungsmöglichkeit
unerwünscht. Eine
größere Dicke
des Gefäßbodens
ist aber unerwünscht,
weil sie die thermische Trägheit
und den Wärmewiderstand
des Gefäßbodens
erhöht.
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Aus
der
EP 0 636 332 B1 ist
ein Heizeinsatz für
einen elektrischen Wasserkocher bekannt, der einen Gefäßboden aus
mit PTFE beschichtetem Stahl oder aus nicht oxidierbarem Stahl aufweist.
Mit Ausnahme eines hochgezogenen Randbereiches des Gefäßbodens,
welcher die Verbindung mit einem Kunststoffgefäß herstellt, ist der Gefäßboden eben ausgebildet
und in seinem ebenen Bereich mit einer thermischen Diffusionsplatte
verlötet,
welche aus einem Metall wie Aluminium oder Kupfer besteht, welches
die Wärme
wesentlich besser leitet als Stahl. Diese Diffusionsplatte hat eine
Dicke in der Größenordnung
von 2,5 mm bis 3 mm, wohingegen der Gefäßboden aus Stahl eine Dicke
in der Größenordnung von
0,3 mm bis 1 mm hat. Die thermische Diffusionsplatte trägt einen
Rohrheizkörper
und einen Temperaturbegrenzer. Sie soll die durch den Rohrheizkörper erzeugte
Wärme auf
die gesamte Oberfläche
des Gefäßbodens
aus Stahl übertragen
und gleichmäßig verteilen
und bildet dazu die thermische Schnittstelle zwischen dem Rohrheizkörper und
dem Gefäßboden.
Außerdem
hat die Diffusionsplatte die Funktion einer Wärmebrücke zwischen dem Heizkörper und dem
Temperaturbegrenzer. Die Dicke der thermischen Diffusionsplatte
wird in der Größenordnung von
2,5 mm bis 3 mm gewählt,
um zwei gegensätzlichen
Forderungen zu genügen,
nämlich
einerseits die erzeugte Wärme
schnell verteilen zu können
und andererseits die thermische Trägheit des Heizeinsatzes zu
begrenzen; denn wenn man die Dicke der thermischen Diffusionsplatte
erhöht,
erhöht
man zugleich die Trägheit
der Heizeinrichtung mit der Folge, daß der Temperaturbegrenzer zu
langsam auf eine Temperaturerhöhung
des Rohrheizkörpers
reagiert; verringert man jedoch die Dicke der thermischen Diffusionsplatte,
wird die vom Rohrheizkörper
erzeugte Wärme
nicht mehr so rasch über
den Gefäßboden verteilt.
Auf der relativ dicken thermischen Diffusionsplatte kann man einen
Temperaturbegrenzer oder Temperaturregler durch Schrauben befestigen,
ohne daß die
Befestigungspunkte auf der Oberseite des Gefäßbodens sichtbar werden. Nachteilig
sind dabei der Einsatz einer großen Menge eines teuren Metalls für die Diffusionsplatte
und die damit verbundene thermische Trägheit des Heizeinsatzes, welche Überhitzungen
des Rohrheizkörpers
ermöglicht,
die dessen Lebensdauer herabsetzen. Die mit der Trägheit verknüpfte hohe
Wärmekapazität des Heizeinsatzes
führt dazu,
daß der
Temperaturbegrenzer erst anspricht, wenn der Heizeinsatz bereits
eine große Wärmemenge
aufgenommen hat. Bei einem leeren Wasserkocher kann diese Wärmemenge
nur an die Luft und an den Kunststoffbehälter abgegeben werden, so daß dieser
trotz des vorhandenen Temperaturbegrenzers die Verwendung teuren
temperaturbeständigen
Plastikmaterials erfordert, um vor Schäden sicher zu sein. Die von
der hohen Wärmekapazität des Heizeinsatzes
ausgehende Gefährdung
wird beim Gebrauch des Wasserkochers noch dadurch verstärkt, daß zunehmende
Kalkablagerungen auf dem Gefäßboden die
Wärmeabgabe
nach oben zur zu erwärmenden
Flüssigkeit
hin behindern und eine Erhöhung
der Temperatur des Rohrheizkörpers
bewirken. Damit geht eine verstärkte
Wärmeabstrahlung
des Rohrheizkörpers
einher, welche den Kunststoff des Gefäßes belastet und die Verwendung
von teuren Kunststoffen erfordert, die eine hinreichend hohe Temperaturbeständigkeit
aufweisen.
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Aus
der
EP 0 870 455 A2 ist
es bekannt, bei einem Heizeinsatz für einen Wasserkocher, der ein Kunststoffgefäß hat, an
der Unterseite des aus Stahl bestehenden Gefäßbodens eine Wärmeverteilerplatte
aus Aluminium vorzusehen, welche ungefähr 1,5 mm dick ist. Auch diese
Wärmeverteilerplatte
hat als weiteres die Funktion einer Wärmebrücke zwischen dem Heizkörper und
einem Temperaturbegrenzer oder -regler. Mit der Wärmeverteilerplatte
kann der Temperaturbegrenzer oder -regler aber nur deshalb noch
verschraubt werden, weil an der Unterseite der Wärmeverteilerplatte nach unten
vorspringende Dome jeweils mit einer zentralen Bohrung ausgebildet
sind, in welche jeweils eine selbstschneidende Schraube eingedreht
werden kann, um den Temperaturbegrenzer oder -regler zu befestigen.
Dadurch konnte zwar verglichen mit der
EP 0 636 332 B1 die thermische
Trägheit
des Heizeinsatzes etwas verringert werden, ohne jedoch eine durchgreifende
Behebung der Nachteile des aus der
EP 0 636 332 B1 bekannten Wasserkochers zu
erreichen.
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Aus
der
DE 29 613 481
U1 ist es bekannt, in der Wärmeverteilerplatte radial verlaufende
Schlitze vorzusehen, um beim Lötvorgang
verdampfendes Fließmittel
austreten zu lassen und so eine bessere Lötverbindung zu erreichen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen
Heizeinsatz für
elektrisch beheizbare Kochgefäße hinsichtlich
der einander teilweise widersprechenden Forderungen nach
- – einem
korrosionsbeständigem
Gefäßboden
- – einem
an der Unterseite des Gefäßbodens
angebrachtem Heizkörper
- – einer
geringen thermischen Trägheit
des Heizeinsatzes
- – einer
hohen Formbeständigkeit
bei möglichst ebenem
Gefäßboden und
- – einem
raschen Ansprechen des Temperaturbegrenzers oder -reglers auf ungewollte
Temperaturerhöhungen
des Heizkörpers
einen
optimalen Kompromiß zu
finden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Heizeinsatz mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Gefäßboden eines
erfindungsgemäßen Heizeinsatzes
besteht zumeist aus einem gegen Leitungswasser korrosionsbeständigen ersten
Metall, insbesondere aus einem Edelstahl, welcher verglichen mit
Metallen wie Aluminium und Kupfer ein schlechter Wärmeleiter
ist. Unter einem Metall im Sinne der Anmeldung wird auch eine Legierung
verstanden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Heizeinsatz kann
nicht nur eine einzige, sondern es können auch mehrere Wärmebrücken vorgesehen
sein, um mehrere Temperaturbegrenzer thermisch an den Heizkörper ankoppeln
zu können
oder um einen Temperaturbegrenzer oder -regler, welcher mehr als
einen Thermoschalter aufweist, mit diesen an den Heizkörper ankoppeln
zu können.
Neben der einen Wärmebrücke oder
neben den gegebenenfalls vorgesehenen mehreren Wärmebrücken ist die Unterseite des
Gefäßbodens
darüberhinaus
mit einem weiteren Blech beschichtet. Das hat wesentliche Vorteile:
- • Das
weitere Blech kann dazu dienen, den Gefäßboden in seiner Form zu stabilisieren
und einen Temperaturbegrenzer oder -regler daran anzubringen.
- • Verglichen
mit den aus der EP
0 636 332 B1 und der EP 0 870 455 A2 bekannten Heizeinsätzen sind
die Wärmekapazität und die
thermische Trägheit
der Wärmebrücken wegen
ihrer Trennung von dem weiteren Blech wesentlich verringert.
- • Weil
der Heizkörper
nicht an dem weiteren Blech, sondern unmittelbar an dem Gefäßboden befestigt
ist, kann das weitere Blech die vom Heizkörper erzeugte Wärme zwar
nicht mehr wie eine Wärmeverteilerplatte
gemäß der EP 0 870 455 A2 oder
wie eine thermische Diffusionsplatte gemäß der EP 0 636 332 B1 schnell
und gleichmäßig über den
gesamten Boden des Heizeinsatzes verteilen. Das ist aber nur scheinbar
ein Nachteil. Tatsächlich
erweist sich die Abkehr von der Lehre der EP 0 636 332 A1 und der EP 0 870 455 A2 als
vorteilhaft, denn:
- • Infolge
des geringeren Wärmewiderstandes
von unten nach oben durch den Gefäßboden hindurch wird die vom
Heizkörper
erzeugte Wärme
auf kürzestem
Wege in die zu erwärmende
Flüssigkeit, insbesondere
Wasser, geleitet und kann dort durch Konvektion abgeführt werden.
- • Durch
den konzentrierteren Wärmefluß durch den
Gefäßboden hindurch
unmittelbar oberhalb des Heizkörpers
platzen unvermeidliche Kalkablagerungen von der Oberseite des Gefäßbodens wieder
ab, da die spezifische Heizleistung pro Fläche zunimmt. Auf lange Sicht
bleibt die Kalkschicht auf dem Gefäßboden dünner als im Falle eines Heizeinsatzes
gemäß der EP 0 870 455 A2 oder
gar der EP 0 636 332
B1 , bei welchen eine konstante Temperaturverteilung über den
Gefäßboden angestrebt
wird. Infolge der dünneren
Kalkschicht besteht zwischen dem Heizkörper und dem zu beheizenden
Medium im Kochgefäß ein geringerer
Wärmewiderstand,
der eine höhere
Lebensdauer des Heizkörpers
zur Folge hat, da dieser nicht mehr so heiß wird.
- • Anstatt
eine höhere
Lebensdauer anzustreben kann aber auch bei gleichbleibender Lebensdauer die
spezifische Leistung des Heizkörpers
erhöht werden,
was schnellere Aufheizzeiten und eine weitere Reduzierung der abgelagerten
Kalkschicht durch frühzeitigeres
Abplatzen der Kalkschicht zur Folge hat.
- • Dünnere Kalkschichten
bedeuten aber nicht nur einen geringeren Wärmewiderstand, sondern auch
eine geringere zu beheizende Masse und dadurch erneut ein schnelleres
Aufheizen.
- • Wird
der Heizkörper
durch den geringeren Wärmewiderstand
zwischen Heizkörper
und zu beheizendem Medium nicht mehr so heiß, gibt er auch nicht mehr
so viel Strahlung an das Gehäuse
des Kochgefäßes ab,
so daß für dieses
ein billigerer Kunststoff mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit
eingesetzt werden kann.
- • Der
Verzicht der Erfindung darauf, die vom Heizkörper erzeugte Wärme gleichmäßig über den Gefäßboden zu
verteilen, führt
mithin zu entscheidenden Vorteilen.
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Da
die Wärmebrücken nicht
dazu dienen, die Wärme
gleichmäßig über den
Gefäßboden zu
verteilen, müssen
sie diesem nicht flächig
anliegen, obwohl das aus Gründen
der leichteren Montagetechnik bevorzugt ist.
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Zwischen
der wenigstens einen Wärmebrücke und
dem weiteren Blech ist zur Behinderung des Wärmeflusses von der betreffenden
Wärmebrücke auf
das weitere Blech zweckmäßigerweise
ein Spalt vorgesehen, welcher vorzugsweise wenigstens 2 mm breit
ist. Dieser Spalt ist genügend
groß um durch überschüssiges Lot
nicht überbrückt zu werden
und die Entlüftung
des Lots begünstigen.
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Grundsätzlich können die
Wärmebrücken und
das weitere Blech völlig
getrennt an der Unterseite des Gefäßbodens positioniert und dann
befestigt werden. Einfacher ist es jedoch, wenn die wenigstens eine
Wärmebrücke durch
eine oder mehrere Stege, insbesondere durch drei Stege, mit dem
weiteren Blech verbunden ist, deren Breite – gegebenenfalls an ihren schmalsten
Stellen – für die jeweilige
Wärmebrücke zusammengenommen
klein ist gegen den Umfang der betreffenden Wärmebrücke. Auf diese Weise können die
eine oder mehrere Wärmebrücken und
das weitere Blech zusammenhängend
hergestellt, positioniert und befestigt werden, was den Fertigungsaufwand
senkt, ohne den Wärmefluß von den Wärmebrücken auf
das weitere Blech wesentlich zu erhöhen. Nach Befestigen des weiteren
Blechs und der Wärmebrücken an
der Unterseite des Gefäßbodens
können
die Stege gegebenenfalls entfernt werden, was den Wärmeeintrag
auf das weitere Blech weiter vermindert.
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Für eine kurze
Ansprechzeit des Temperaturbegrenzers oder -reglers auf eine unerwünschte Temperaturerhöhung des
Heizkörpers
ist es günstig, wenn
die jeweilige Wärmebrücke kleiner
ist als das weitere Blech, insbesondere klein ist gegen die Größe des weiteren
Blechs. Da die Wärmebrücke die Wärme nicht über den
gesamten Gefäßboden verteilen
soll, kann sie schmal und kurz ausgebildet sein, so daß die thermische
Ankopplung des Temperaturbegrenzers oder -reglers nahe bei dem Heizkörper erfolgen
kann.
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Der
Heizkörper
ist zweckmäßigerweise
bogenförmig
oder spiralförmig
um die Mitte des Gefäßbodens
herum angeordnet und das weitere Blech ist in dem vom Heizkörper umgrenzten
Raum angeordnet. Um den Wärmefluß vom Heizkörper auf
das weitere Blech möglichst
gering zu halten, berührt
das weitere Blech den Heizkörper
allenfalls auf Abschnitten, deren Länge insgesamt klein ist gegen
den Umfang des weiteren Blechs. Wenn solche Abschnitte vorhanden
sind, kann mit ihnen das weitere Blech auf dem Gefäßboden relativ
zum Heizkörper
für einen Lötvorgang
positioniert werden. Falls die Positionierung mit anderen Mitteln
erfolgt, z. B. mittels einer vorübergehend
zur Anwendung kommenden Halterung, kann auf diese Abschnitte auch
verzichtet werden. Abgesehen von diesen Abschnitten hat das weitere
Blech Abstand vom Heizkörper,
vorzugsweise wenigstens 2 mm Abstand, damit die vom Heizkörper erzeugte
Wärme überwiegend
von unten nach oben durch den Gefäßboden fließt. Der Abstand zwischen dem
Heizkörper
und dem weiteren Blech ist vorzugsweise so groß, daß eine Gefahr, den dazwischen
bestehenden Spalt durch das Auflöten
des Heizkörpers und
des Blechs versehentlich mit Lot anzufüllen und so das weitere Blech
mit dem Heizkörper
thermisch zu koppeln, vernachläßigbar gering
ist. Während
das weitere Blech vom Heizkörper
Abstand hat oder ihn allenfalls an wenigen kleinen Stellen berührt, sollen die
Wärmebrücken den
Heizkörper
berühren,
insbesondere durch Löten
auf dem Heizkörper
befestigt sein. Zur Anpassung der Wärmebrücke an die Kontur des Heizkörpers kann
die Wärmebrücke vorgeformt werden
und die Wärmebrücke und
der Heizkörper können sich
beim Auflöten
gegenseitig in ihrer Position halten. Es ist aber auch möglich, die
Wärmebrücke zwischen
dem Heizkörper
und dem Gefäßboden einzufügen und
mit beiden zu verlöten.
In diesem Fall kann die Wärmebrücke insgesamt
ein ebener Streifen sein, zu dessen Aufnahme der Heizkörper eine Einbuchtung
benötigt.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Wärmebrücken jeweils
in eine Ausnehmung des weiteren Blechs hinein. Das hat den Vorteil,
daß der
Gefäßboden großflächig stabilisiert
werden kann. Vorzugsweise sind diese Ausnehmungen im wesentlichen rechteckig,
was den Vorteil hat die Fertigung zu erleichtern.
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Vorzugsweise
sind genau zwei Wärmebrücken vorhanden,
um zwei Temperaturbegrenzer oder -regler bzw. einen Temperaturbegrenzer
oder -regler mit zwei Thermoschaltern ankoppeln zu können. Aus Gründen der
Symmetrie, einer symmetrischen Stabilisierung des Gefäßbodens
und einer möglichst
kurzen Ausbildung der Wärmebrücken wird
bevorzugt, daß diese
sich radial in Bezug auf den Mittelpunkt des Gefäßbodens erstrecken, insbesondere
diagonal in Bezug auf den Mittelpunkt des Gefäßbodens angeordnet sind. Vorteilhaft
wird so auch bei einem schrägstehenden
Wasserkocher, der nur wenig Wasser enthält, eine Überhitzung verhindert.
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Die
Wärmebrücken und
das weitere Blech können
grundsätzlich
unterschiedlich dick ausgebildet sein, vorzugsweise sind sie jedoch
im Mittel gleich dick, insbesondere dann, wenn sie über Stege zusammenhängend ausgebildet
werden, da dies die Fertigung vereinfacht.
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Die
Befestigung eines Temperaturbegrenzers oder -reglers läßt sich,
wie in der
EP 0 870
455 A2 beschrieben, mittels domartiger Erhebungen, welche
durch Tiefziehen aus dem weiteren Blech ausgebildet sind, durchführen. Derartige
Erhebungen weisen eine zentrale Bohrung auf, in welche selbstschneidende
Schrauben zum Festlegen des Temperaturbegrenzers oder -reglers eingedreht
werden können.
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Es
wird bevorzugt, daß die
Wärmebrücken und
das weitere Blech in Mittel nur 0,5 mm bis 1,2 mm dick sind. Das
hat weitere wesentliche Vorteile:
- • Verglichen
mit den aus der EP
0 636 332 B1 und der EP 0 870 455 A2 bekannten Heizeinsätzen sind
die Wärmekapazität und die
thermische Trägheit
des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes wesentlich
verringert.
- • Durch
die Verringerung der Menge des einzusetzenden, die Wärme gut
leitenden Metalls wie Aluminium oder Kupfer als Material für das Blech
lassen sich die Kosten für
die Herstellung des Heizeinsatzes gegenüber der EP 0 870 455 A2 um circa
10% bis 30% senken.
- • Zur
mechanischen Stabilisierung des Gefäßbodens aus einem ersten Metall,
welcher eine verhältnismäßig schlechte
Wärmeleitfähigkeit
hat und deshalb möglichst
dünn zu
halten ist, vorzugsweise nicht dicker als 0,5 mm, noch besser nicht
dicker als 0,4 mm, hat sich eine Blechdicke von 0,5 mm bis 1,2 mm
Dicke als völlig
ausreichend herausgestellt.
- • Es
hat sich gezeigt, daß das
anstelle einer dickeren Wärmeverteilerplatte
erfindungsgemäß zur Anwendung
kommende dünne
weitere Blech, welches vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer besteht,
noch eine hinreichende Wärmekapazität aufweist,
um Schockschäden
zu verhindern, die auftreten können,
wenn in ein überhitztes Kochgefäß plötzlich eine
kalte Flüssigkeit
eingefüllt
wird.
- • Ein
Blech mit der erfindungsgemäß vorgesehenen
Dicke von nur noch 0,5 mm bis 1,2 mm ist ausreichend, um daran einen
Temperaturbegrenzer oder -regler anzubringen. Zwar mögen sich die
Befestigungspunkte für
den Temperaturbegrenzer oder -regler an dem dünnen Blech abzeichnen, sie
zeichnen sich aber nicht an der Oberseite des Gefäßbodens
ab, mit welchem das dünne
Blech flächig
verbunden ist.
- • Weil
das dünne
Blech der Wärmebrücken eine geringere
Wärmekapazität hat als
die aus der EP 0 870
455 A2 bekannte Wärmeverteilerplatte
und als die aus der EP
0 636 332 B1 bekannte thermische Diffusionsplatte, pflanzt
sich eine Temperaturerhöhung
des Heizkörpers über das
dünne Blech
der Wärmebrücken rascher
zum Temperaturbegrenzer oder zu dessen Temperaturfühler fort.
Die Wärmemenge,
die dabei parallel zum Gefäßboden durch
das Blech fließt,
ist zwar klein verglichen mit der Wärmemenge, welche quer durch
den Gefäßboden fließt, entscheidend
ist aber, daß sie
die Temperaturerhöhung
des Heizkörpers
dem Temperaturbegrenzer bzw. dessen Temperaturfühler rasch mitteilt. So kommt
es bei einer Überhitzung
des Heizkörpers
schneller zum Abschalten des Heizkörpers. Das ist ein Gewinn an
Sicherheit.
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Vorzugsweise
ist das Blech nicht mehr als 1 mm dick, noch besser nicht mehr als
0,8 mm, was als das Optimum erscheint. Bei einer Blechdicke von
weniger als 0,5 mm ist der Beitrag des Blechs zur Formstabilität des Gefäßbodens
zu klein und es wird zu aufwendig oder gar unmöglich, das Blech noch zur Befestigung
des Temperaturbegrenzers oder -reglers zu verwenden.
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Der
Gefäßboden besteht
zweckmäßigerweise
aus Stahl mit einer für
den vorgesehenen Einsatzzweck – Verwendung
in Küchen,
insbesondere zum Wasserkochen – hinreichenden
Korrosionsbeständigkeit.
Der Gefäßboden kann
auch beschichtet sein, z. B. mit PTFE oder einer anderen für Lebensmittel geeigneten
Beschichtung, insbesondere einer solchen, an welcher Fremdsubstanzen
schlecht haften.
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Für die Wärmebrücken und
für das
weitere Blech eignen sich wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit vor allem Aluminium
und Kupfer und Legierungen dieser Metalle, welche darüberhinaus
den Vorteil haben, sich leicht bearbeiten, tiefziehen, löten und
gegebenenfalls auch kleben zu lassen. Zweckmäßigerweise werden die Wärmebrücken und
das weitere Blech mit der Unterseite des Gefäßbodens verlötet. Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
für das
weitere Blech einen Kleber einzusetzen, wenn dieser eine für den konkreten
Verwendungszweck des Heizeinsatzes hinreichende Temperaturbeständigkeit
aufweist.
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Vorzugsweise
weist das weitere Blech in der Mitte des Gefäßbodens ein Loch auf. Dadurch
können
mechanische Spannungen, welche aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Blechs und des Gefäßbodens entstehen, relaxieren
und eine thermisch bedingte Verformung des Gefäßbodens und ein Ablösen des
Blechs vom Gefäßboden verhindert
werden. Ein weiterer Vorteil des Loches ist, daß überschüssiges Lot und Flußmittel
beim Verlöten
des weiteren Blechs mit dem Gefäßboden in
das Loch eintreten können
und daß die Entlüftung der
Lotschicht beim Lötvorgang
erleichtert ist. Außerdem
ist in dem Loch eine Sichtprüfung
des Lotflusses möglich.
Aus Symmetriegründen
ist das Loch zweckmäßigerweise
kreisrund.
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Die
Wärme,
die der Heizkörper
erzeugt, wird auf kürzestem
Wege in den Gefäßboden und
durch diesen in das zu erhitzende Medium eingeleitet. Nur ein geringer
Teil der Wärme
fließt
parallel zum Gefäßboden durch
die wenigstens eine Wärmebrücke und gelangt
auf diese Weise rasch zum Temperaturbegrenzer oder -regler.
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Das
weitere Blech und die Wärmebrücken berühren sich
allenfalls über
einen oder mehrere Stege, deren Breite – gegebenenfalls an ihren schmalsten
Stellen – zusammengenommen
klein ist gegen den Umfang des betreffenden weiteren Blechs, welches
den Temperaturbegrenzer oder -regler thermisch an den Heizkörper koppelt.
Das hat den Vorteil, daß das
weitere Blech nur eine minimale Wärmekapazität hat; außerdem ist der Wärmefluß vom jeweiligen
weiteren Blech in das erste Blech, auf welchem der Temperaturbegrenzer
mechanisch befestigt sein kann, stark behindert, wodurch im Falle
einer Überhitzung
des Heizkörpers
eine äußerst kurze
Ansprechzeit des Temperaturbegrenzers erzielt wird.
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Je
dünner
das weitere Blech ausgeführt
ist, desto geringer ist die Wärmekapazität und damit auch
die thermische Trägheit
des Heizeinsatzes. Je dünner
das weitere Blech ist, desto weniger wird aber auch der Gefäßboden mechanisch
stabilisiert und es erhöht
sich die Gefahr eines Abplatzens des Heizkörpers vom Gefäßboden aufgrund
von thermischen Spannungen. Bei einer Dicke des weiteren Blechs von
1,2 mm bis 1,5 mm und mehr wird der Temperaturbegrenzer oder -regler
bevorzugt mittels domartiger Erhebungen, wie in der
EP 0 870 455 A2 beschrieben,
an dem weiteren Blech befestigt. Diese domartigen Erhebungen weisen
eine zentrale Bohrung auf, in welche jeweils eine selbstschneidende Schraube
eingedreht werden kann.
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Mit
einem Blech, dessen Dicke weniger als 1,2 mm beträgt, läßt sich
ein Temperaturbegrenzer oder -regler nicht mehr oder nur noch mit
sehr großen Schwierigkeiten
verschrauben. Auch Dome mit einer Schraubbohrung, wie sie die
EP 0 870 455 A2 offenbart,
lassen sich mit einem so dünnen
Blech nicht mehr ohne weiteres bilden. Vorzugsweise hat der erfindungsgemäße Heizeinsatz
für derartig
dünne Bleche
als Mittel zum Anbringen des Temperaturbegrenzers oder -reglers
an dem weiteren Blech mehrere nach unten vorstehende Stifte, insbesondere Hohlstifte,
welche sich durch Tiefziehen des weiteren Blechs bilden lassen,
bevor dieses mit der Unterseite des Gefäßbodens verbunden wird. Die
Stifte bzw. Hohlstifte sind geeignet, einen Temperaturbegrenzer oder
-regler mit der Unterseite des Heizeinsatzes zu vernieten.
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Um
genügend
Material für
das Bilden von Stiften durch Umformen des weiteren Blechs zu erhalten,
wird zweckmäßigerweise
so vorgegangen, daß die
Dicke des weiteren Blechs in einem Bereich, der die Stifte unmittelbar
umgibt, gegenüber
der Dicke des restlichen Blechs beim Umformen vermindert wird. Das
ist ohne Verlust an stabilisierender Wirkung für den Gefäßboden möglich. Zum Stabilisieren der Stifte
selbst ist es bevorzugt, das weitere Blech in den Bereich mit verminderter
Dicke mit radial in Bezug auf den jeweiligen Stift verlaufenden
Rippen zu versehen.
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Es
ist aber auch möglich,
die Stifte gesondert herzustellen, z. B. mit einem Fuß zu versehen
und insbesondere durch Löten
an dem weiteren Blech zu befestigen, bevor dieses mit der Unterseite
des Gefäßbodens
verbunden wird.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, an dem weiteren Blech Laschen oder Krallen auszuschneiden
und nach unten wegzubiegen. Solche Laschen oder Krallen sind einerseits
geeignet, den Temperaturbegrenzer oder -regler zu positionieren
und/oder zu halten und fördern
andererseits den Lötvorgang,
indem sie das Fließen
und das Entgasen des Lotes fördern
und so die Ausbildung einer porenfreien, sehr gut haftenden und
wärmeleitenden
Lotschicht begünstigen.
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Der
elektrische Heizkörper
ist vorzugsweise ein Rohrheizkörper.
Dessen Verwendung ist preiswert und erprobt. Er kann durch Umformen
abgeflacht und mit seiner abgeflachten Seite mit der Unterseite
des Gefäßbodens
verlötet
werden und infolge der Abflachung seine Wärme besser in den Gefäßboden hinein
und durch ihn hindurch leiten. Zweckmäßigerweise ist der Heizkörper vom
Rand des Gefäßbodens
beabstandet, um die Wärmebelastung
des Kunststoffgehäuses
des Kochgefäßes zu begrenzen.
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Um
eine exakte Positionierung des weiteren Blechs auf dem Gehäuseboden
während
des Verlötens
zu erreichen, hat der Gefäßboden in
der Mitte eine bevorzugt kreisförmige
Vertiefung oder Erhöhung,
welche zusammen mit einem Loch in dem weiteren Blech einen Formschluß eingeht,
wozu das Loch einen an die Kontur der Vertiefung oder Erhöhung des
Gefäßbodens
angepaßten
Rand aufweist.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von vier bevorzugten
Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei
gleiche Bezugszahlen gleiche oder einander entsprechende Teile bezeichnen.
Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf die Unterseite eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes,
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2 eine
Draufsicht auf die Unterseite eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes
mit entlang der Linie A-A in 3 geschnittenem
Heizkörper,
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie B-B durch den in 2 gezeigten
Heizeinsatz,
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4 eine
Draufsicht auf die Unterseite eines "weiteren" Blechs und zweiter damit zusammenhängender
Wärmebrücken für einen
anderen erfindungsgemäßen Heizeinsatz,
und
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5 eine
Draufsicht auf die Unterseite eines "weiteren" Blechs und zweier damit zusammenhängender
Wärmebrücken für einen
anderen erfindungsgemäßen Heizeinsatz.
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Der
in 1 gezeigte Heizeinsatz 1 weist einen
aus Edelstahl bestehenden Gefäßboden 2 mit eine
Dicke von z. B. 0,4 mm bis 0,6 mm auf. Auf die Unterseite dieses
Gefäßbodens 2 ist
ein als Rohrheizkörper
ausgebildeter Heizkörper 4 gelötet. Zur Ankopplung
eines Temperaturbegrenzers oder -reglers sind aus Blech ausgebildete
Wärmebrücken 3 vorgesehen,
welche mit einem Abschnitt auf den Heizkörper 4 gelötet sind
und mit ihrer übrigen
Fläche sich
auf dem Gefäßboden 2 erstrecken.
Diese Wärmebrücken 3 bestehen
aus einer Aluminiumlegierung und bieten eine Auflagefläche für Bimetallscheiben
eines Temperaturbegrenzers oder -reglers und ermöglichen aufgrund ihrer geringen
Wärmekapazität und guten
Wärmeankopplung
an den Heizkörper 4 somit
ein rasches Ansprechen des Temperaturbegrenzers oder -reglers. Ein
weiteres Blech 13, welches an der Unterseite des Gefäßbodens 2 befestigt ist,
dient zur Montage des entsprechenden Temperaturbegrenzers oder -reglers.
Zu diesem Zweck weist das weitere Blech 13 zum Anbringen
des Temperaturbegrenzers oder -reglers bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
nach unten vorstehende domartige Erhebungen 20 mit einer
zentralen Bohrung 21 auf. Vorteilhaft dient das weitere
Blech 13 auch dazu, den Gefäßboden 2 mechanisch
zu stabilisieren.
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Um
den direkten Wärmefluß vom Heizkörper 4 durch
den Gefäßboden 2 hin
zum zu erwärmenden Inhalt
des Kochgefäßes nicht
zu behindern, ist das weitere Blech 13 vom Heizkörper 4 beabstandet
angeordnet. Die Wärmebrücke 3 und
das weitere Blech 13 sind durch drei schmale Stege 7 miteinander
verbunden, was die Fertigung des Heizeinsatzes 1 erleichtert.
Eine solche Verbindung ist für
die Funktion dieser Bauteile keineswegs erforderlich, insbesondere
können
diese auch aus verschiedenen Materialien bestehen oder verschiedene
Dicken aufweisen, doch lassen sich so sowohl die Wärmebrücken 3 als
auch das weitere Blech 13, wenn sie zusammenhängend ausgebildet
sind, in einem einzigen Arbeitsschritt positionieren und mit dem
Gefäßboden 2 verlöten. Nach dem
Verlöten
haben die Stege 7 ihren Zweck erfüllt und lassen sich entfernen,
was aber nicht zwingend ist. Als weiteren Vorteil ermöglicht die
Verbindung von Wärmebrücken 3 und
weiterem Blech 13 auch eine kostengünstige Fertigung durch Stanzen
aus einem einzigen Blechteil. Zwischen den Wärmebrücken 3 und dem weiteren
Blech 13 ist ein Spalt 14 ausgebildet, dessen
Breite beim gezeigten Ausführungsbeispiel
z. B. 2 mm beträgt.
Größere Spaltbreiten
sind ohne weiteres möglich,
geringere Spaltbreiten führen
jedoch zu einer unerwünschten
stärkeren Wärmeankopplung
des weiteren Blechs 13 an die Wärmebrücken 3, was das Ansprechen
des Temperaturbegrenzers oder -reglers verzögern würde. Die Gesamtbreite der Stege 7 ist
klein gegen den Umfang der betreffenden Wärmebrücke 3. Dadurch wird erreicht,
daß ein
unvermeidlicher Wärmefluß von den Wärmebrücken zum
weiteren Blech überwiegend über den
schlecht wärmeleitenden
Gefäßboden 2 aus
Edelstahl erfolgt und der Wärmefluß über die Stege 7 demgegenüber vernachlässigt werden
kann. Somit wird erreicht, daß zum
Aufheizen der Wärmebrücke 3 auf
eine vorgegebene Schalttemperatur der Bimetallscheibe des Temperaturbegrenzers
oder -reglers nur eine geringe Wärmemenge
erforderlich ist.
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Aus
Sicherheitsgründen
sind zwei diagonal gegenüberliegende
Wärmebrücken 3 vorgesehen, so
daß selbst
bei schrägstehendem,
teilweise gefülltem
Kochgefäß stets
zumindest eine zugeordnete Bimetallscheibe des Temperaturbegrenzers
oder -reglers anspricht, bevor das Kochgefäß überhitzt wird.
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Das
weitere Blech 13 weist in seiner Mitte ein Loch 5 auf.
Dadurch können
mechanische Spannungen, welche aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungkoeffizienten des weiteren Blechs 13 und des
Gefäßbodens 2 entstehen,
relaxieren und eine thermisch bedingte Verformung des Gefäßbodens 2 und
ein Ablösen
des weiteren Blechs 13 vom Gefäßboden 2 verhindert
werden. Desweiteren ermöglicht
das Loch 5 zusammen mit den zwischen den Wärmebrücken 3 und
dem weiteren Blech 13 vorhandenen Spalten 7, daß überschüssiges Lot
und Flußmittel
beim Verlöten
des weiteren Blechs 13 mit dem Gefäßboden 2 aus dem Spalt
zwischen dem Gefäßboden 2 und
dem weiteren Blech 13 austreten können und erleichtern die Entlüftung der
Lotschicht beim Lötvorgang.
Außerdem
ist in dem Loch 5 eine Sichtprüfung des Lotflusses möglich. Aus
Symmetriegründen
ist das Loch 5 kreisrund ausgeführt.
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Die
Dicke des weiteren Blechs 13 und der Wärmebrücken 3 beträgt vorzugsweise
1,2 mm. Eine Dicke von 1,2 mm ist hinsichtlich der mechanischen Stabilisierung
des Gefäßbodens 2 ausreichend,
bedeutet einen geringen Materialaufwand an relativ teurem Aluminium
und trägt
dazu bei die Wärmekapazität des Heizeinsatzes 1 gering
zu halten. Das weitere Blech 13 weist als Mittel zum Anbringen
des Temperaturbegrenzers oder -reglers domartige Erhebungen 20 mit
jeweils einer zentralen Bohrung 21 auf. In diese Bohrung 21 wird
eine selbstschneidende Schraube zum Befestigen des Temperaturbegrenzers
oder -reglers eingedreht. Die domartigen Erhebungen 20 sind
durch Tiefziehen aus dem weiteren Blech ausgebildet.
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Um
die Positionierung des Temperaturbegrenzers oder -reglers zu erleichtern,
sind aus dem weiteren Blech 13 Krallen 10 ausgeschnitten
und nach unten weggebogen. Darüberhinaus
unterstützen
die so geschaffenen Öffnungen
ebenso wie das kreisrunde Loch den Lötvorgang, in dem sie ein Entweichen
von Fluß- oder Lötmittel
beim Verlöten
in Form von Dampf ermöglichen.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Heizeinsatzes 1. Der wesentliche Unterschied zu dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
besteht darin, daß sich
das weitere Blech 13 nur über eine so große Fläche des
Gefäßbodens 2 erstreckt, wie
zur Befestigung des Temperaturbegrenzers oder -reglers unbedingt
erforderlich ist. Auf diese Art und Weise wird der Vorteil einer
weiteren Einsparung an relativ teurem Aluminium erreicht. Wie bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die
Wärmebrücken 3 in
Ausnehmungen 15 des weiteren Blechs 13 und sind
mit diesem lediglich durch schmale Stege 7 verbunden, so
daß die
Wärmebrücken 3 und
das weitere Blech 13 kostengünstig durch Stanzen aus einem
Blech geformt und in einem einzigen Arbeitsgang am Gefäßboden 2 positioniert werden
können.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch den in 2 gezeigten
Heizeinsatz 1 entlang der Linie B-B. Wie man daran sieht,
weist der Gefäßboden 2 in
der Mitte eine kreisförmige
Erhöhung 12 auf,
welche zusammen mit dem an die Kontur angepaßten Rand des Lochs 5 im
weiteren Blech 13 einen Formschluß eingeht und so das Positionieren
des weiteren Blechs 13 bei der Montage auf dem Gefäßboden 2 erleichtert.
Selbstverständlich
ist hierfür
auch eine entsprechende Vertiefung oder andere Profilierung der
Oberfläche
des Gefäßbodens 2 geeignet.
Vorteilhaft wird durch die Erhöhung
zugleich auch die mechanische Stabilität des Gefäßbodens 2 erhöht.
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Der
Gefäßboden 2 weist
ferner eine Krempe 18 auf, welche eine Verankerung des
Gefäßbodens 2 in
der aus Plastik bestehenden Gefäßwand des Kochgefäßes unterstützt. Der
als Rohrheizkörper ausgeführte Heizkörper 4 ist
einseitig abgeflacht, so daß eine
größere Kontaktfläche mit
dem Gefäßboden 2 besteht.
Vorteilhaft wird so eine bessere Wärmeankopplung an den Gefäßboden 2 und
damit den zu erwärmenden
Inhalt des Kochgefäßes erreicht und
zugleich die Belastbarkeit der Lötverbindung
verbessert, so daß ein
Abplatzen des Heizkörpers 4 durch
thermische Spannungen verhindert ist.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf die Unterseite eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines weiteren Blechs 13 mit zwei Wärmebrücken 3, welche mit
ihm zusammenhängen,
welche zur Bildung eines Heizeinsatzes mit einem Gefäßboden 2 zu
verbinden sind, insbesondere durch Löten. Der Gefäßboden kann
wie in den vorhergehenden Beispielen ausgebildet sein. Im Unterschied
zu dem in 1 gezeigten Heizeinsatz 1 verfügt das weitere
Blech 13 benachbart zu den Wärmebrücken 3 über Laschen 22, welche
dazu dienen, das weitere Blech 13 auf dem Gefäßboden relativ
zum Heizkörper
zu positionieren, welcher wie in den vorhergehenden Beispielen ausgebildet
ist. Der Umfangsbereich des weiteren Blechs 13, welcher
mit weiteren Laschen 22 belegt ist, ist klein gegen den
Gesamtumfang des weiteren Blechs 13, so daß der Wärmefluß vom Heizkörper über diese
weiteren Laschen 22 auf das weitere Blech 13 vernachlässigbar
klein ist. Zusätzlich
wird der Wärmefluß noch durch
die Ausstanzungen 25 der Krallen 10 in diesem
Bereich behindert. Das weitere Blech 13 weist weiterhin
zusätzliche
Laschen 23 auf, welche vor dem Verlöten des weiteren Blechs 13 mit dem
Gefäßboden hochgeklappt
werden und dazu dienen einen Lötdraht
zu führen.
Diese zusätzlichen Laschen 23 berühren daher
den Heizkörper
nicht. Die in 4 gezeigten Wärmebrücken 3 erstrecken sich
in Ausnehmungen von im wesentlichen rechteckiger Form des weiteren
Blechs 13. Diese Form läßt sich
fertigungstechnisch leichter realisieren, als die in 1 gezeigten
bogenförmig
begrenzten Wärmebrücken 3.
Die Wärmebrücken 3 sind
mit dem weiteren Blech über
Stege 7 verbunden.
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Das
in 4 gezeigte weitere Blech 13 weist einen
Fortsatz 24 auf, welcher sich bestimmungsgemäß über den
nicht gezeigten Gefäßboden hinaus
in den Griff eines Wasserkochers erstrecken kann.
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Wie 4 zeigt
auch 5 ein weiteres Blech 13 mit zwei Wärmebrücken 3,
welche mit dem weiteren Blech 13 zusammenhängen; sie
sind zur Bildung eines Heizeinsatzes bestimmt, welcher einen Gefäßboden und
einen Heizkörper
wie in den ersten beiden Ausführungsbeispielen
haben kann. Im Unterschied zu dem in 4 gezeigten
weiteren Blech 13 weist das in 5 gezeigte
weitere Blech 13 anstelle domartiger Erhebungen zum Befestigen
eines Temperaturbegrenzers oder -reglers zu diesem Zweck mehrere
nach unten vorstehende Hohlstifte 6 auf, welche durch Tiefziehen
gebildet sind. Der Temperaturbegrenzer oder -regler wird auf dem
weiteren Blech 13 befestigt, indem er mittels entsprechender Öffnungen
auf die Hohlstifte 6 gesteckt wird und diese anschließend plattgepreßt werden.
Um trotz der geringen Dicke des weiteren Blechs 13 diese
Hohlstifte 6 zur Befestigung des Temperaturbegrenzers oder
-reglers ausbilden zu können, ist
die Dicke des weiteren Blechs 13 in einem Bereich 8,
der die Hohlstifte 6 unmittelbar umgibt, gegenüber der
Dicke des restlichen weiteren Blechs 13 vermindert. In
diesem Bereich 8 verminderter Dicke weist das Blech Rippen 9 auf,
welche radial in Bezug auf den jeweiligen Hohlstift 6 verlaufen
und dazu dienen, trotz der verminderten Dicke dieses Bereichs 8 eine
für die
Befestigung des Temperaturbegrenzers oder -reglers ausreichende
mechanische Belastbarkeit zu gewährleisten.
Es ist aber auch möglich,
separate Stifte oder Gewindebolzen auf dem weiteren Blech 13 anzubringen.
Auch hier wird der Wärmefluß von den
Laschen 22 durch den Schwächungsbereich 8 der
Hohlnieten 6 behindert.