DE102004024637A1

DE102004024637A1 - Heizelement und Temperatursensor

Info

Publication number: DE102004024637A1
Application number: DE200410024637
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Thimm
Original assignee: EGO Elektro Geratebau GmbH
Current assignee: THIMM, WOLFGANG, DR., 76137 KARLSRUHE, DE
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-12-08

Abstract

Erfindungsgemäß wird die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern, wie beispielsweise YBCO oder Bi-2223, als Heizleiter-Werkstoff und als Temperatursensor-Werkstoff vorgeschlagen. Im Bereich der Heizleiter (14) gestattet die nahezu lineare Kennlinie zwischen spezifischem Widerstand und Temperatur die Verwendung eines selbstregulierenden Heizleiters (14). Dieser verursacht durch eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes im Zuge des Erhitzens eine Verringerung des Stromflusses, was mit einer Verlangsamung des Aufheizvorgangs einhergeht. In Abhängigkeit von der Gestalt des Heizleiters (14), der Verwendung weiterer Werkstoffe für den Heizleiter (14) und der Energieabfuhr in Form von Wärme kann somit erreicht werden, dass der Heizleiter (14) sich nur bis zu einer Grenztemperatur aufheizt.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Heizelement mit mindestens einem Heizleiter, ebenso einen Temperatursensor.

Es ist Stand der Technik, Wärme mittels Heizleitern zu erzeugen, indem an leitende Heizleiter eine Spannung angelegt wird, so dass ein Strom durch den Heizleiter fließt. Der elektrische Widerstand des Heizleiters führt dazu, dass die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, die den Heizleiter erwärmt. Es ist darüber hinaus bekannt, Heizleiter aus sogenannten PTC-Materialien, beispielsweise der PTC-Keramik BaTiO3 zu verwenden. Diese PTC-Materialien weisen einen veränderlichen Widerstand auf, der sich mit steigender Temperatur erhöht. Dieser Effekt wird genutzt, um eine Selbstregulierung des Heizleiters zu erreichen. Bei steigender Temperatur des Heizleiters nimmt der Widerstand zu, was zu einem verminderten Stromfluss führt. Dadurch wird auch die weitere Erhitzung des Heizleiters verringert, denn die elektrische Leistung sinkt bei steigendem Widerstand. Als nachteilig an den bekannten PTC-Materialien wird angesehen, dass die Veränderung des Widerstandes in Abhän gigkeit von der Temperatur einer breiten Streuung unterliegt, die bei vielen Anwendungsfällen nicht akzeptabel ist. Diese Streuung führt dazu, dass verschiedene Heizleiter gleichen Typs den gleichen Widerstand bei verschiedenen Temperaturen, im Extremfall bei Temperaturen erreichen, die sich um bis zu 20°C voneinander unterscheiden. Darüber hinaus weisen bekannte PTC-Materialien häufig den Nachteil auf, dass sich ihr Widerstandswert nur innerhalb eines geringen Intervalls sehr stark verändert. Unterhalb und oberhalb dieses PTC-Temperaturbereichs mit starkem Widerstandanstieg liegen bei diesen Materialien darüber hinaus ein erster und ein zweiter Temperaturbereich mit NTC-Charakteristik. In diesen Bereichen sinkt der spezifische Widerstand des Heizleiters bei einer Erhöhung der Temperatur. Als Konsequenz ergibt sich ein unerwünschtes Verhalten eines solchen PTC-Heizleiters mit ausgeprägtem PTC-Bereich und angrenzenden NTC-Bereichen, welches sich in sehr hohen Strömen bei geringen Temperaturen und einem nahezu unberechenbaren Verhalten im Bereich zwischen dem PTC-Bereich und dem zweiten NTC-Bereich niederschlägt. Wenn die Temperatur aufgrund der Trägheit des Widerstandsverhaltens über das Widerstandsmaximum zwischen PTC-Bereich und zweitem NTC-Bereich hinwegkommt, kommt es verzögert zu einem Anstieg des Widerstandes, der sich noch erhöht und der somit zu einer sehr plötzlichen Abkühlung des Heizleiters führt. Folge ist ein für den praktischen Gebrauch problematisches Pendelverhalten der Temperatur des Heizleiters.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Heizelement mit mindestens einem Heizleiter zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und sich insbesondere bei einem festen Temperaturwert selbstregulierend einpendelt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Heizelement mit mindestens einem Heizleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Erfindungsgemäß besteht der Heizleiter zumindest teilweise aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff. Der Vorteil eines Heizleiters aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff-Werkstoff liegt in dem Verhältnis zwischen dem spezifischen Widerstand des Heizleiters und dessen Temperatur begründet. Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffe weisen einen stetigen Widerstandsanstieg bei Erhöhung der Temperatur auf. Dabei ist der Widerstandsanstieg in einem großen Temperaturintervall weitgehend linear. Das Widerstandsverhalten der Hochtemperatur-Supraleiter ist darüber hinaus in hohem Maße reproduzierbar, d.h. zwei Hochtemperatur-Supraleiter gleichen Typs weisen auch ein sehr ähnliches Verhalten bezüglich der Veränderung des Widerstandes bei einer Veränderung der Temperatur auf. Darüber hinaus zeichnen sich die Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffe dadurch aus, dass der relative Widerstandsanstieg in einem gegebenen Temperaturintervall relativ hoch ist. So führt schon ein geringer Temperaturanstieg zu einer starken Erhöhung des Widerstandes, wenn man es mit anderen PTC-Materialien wie Fe2,0-Mo vergleicht. Diese Merkmale eines Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffs führen zu einer sehr guten Verwendbarkeit als Heizleiter eines Heizelementes. Insbesondere bezüglich der eingangs beschriebenen Selbstregulierung ist die Verwendung eines Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffs zweckmäßig. Beim Erwärmen eines solchen Heizleiters verringert sich die elektrisch zugeführte Leistung und verzögert sich der Temperaturanstieg, je näher die Temperatur einer Grenztemperatur kommt. Dies führt dazu, dass ein unerwünschter Pendeleffekt zwischen einer über der Grenztemperatur liegenden Temperatur und einer unter der Grenztemperatur liegenden Temperatur entfällt. Stattdessen nähert sich die Temperatur allmählich asymptotisch der Grenztemperatur an. Ein zweckmäßiger Temperaturbereich für einen Heizleiter aus Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff liegt zwischen 50°C und mehreren Hundert Grad Celsius.

In Weiterbildungen der Erfindung ist der Supraleiter-Werkstoff Yttriumbariumkupferoxid oder Bi-2223. Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) und Bi-2223 zeichnen sich in einem für viele Anwendungen, beispielsweise als Heizelement, erheblichen Temperaturbereich zwischen 0°C und mindestens 300°C durch einen weitgehend proportionalen Anstieg des spezifischen Widerstandes bezogen auf die Temperatur aus. Darüber hinaus ist der Anstieg, wie bei vielen Anwendungsfällen erwünscht, recht steil. Bi-2223 weist bei 300°C einen spezifischen Widerstandswert auf, der ca. 2,5 mal so hoch ist wie der spezifische Widerstand bei 0°C. Dies ist verglichen mit anderen Materialien ein verhältnismäßig hoher Faktor. Der Widerstand von Fe2,0-Mo beispielsweise steigt im gleichen Temperaturintervall nur um den Faktor 2.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Heizleiter neben dem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff auch noch mindestens einen zweiten nicht supraleitfähigen Werkstoff auf. Derartige Heizleiter, die aus Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffen und herkömmlichen Halbleiterwerkstoffen aufgebaut sind, können jeweils verschiedene Abschnitte des einen oder des anderen Materials aufweisen. Dies kann beispielsweise aus Kostenerwägungen oder zweckmäßig sein, um gezielt bestimmte Widerstandswerte bei bestimmten Temperaturen zu erreichen. Als zweiter Werkstoff kommt beispielsweise eine FeCrAl-Legierung in Frage. Heizleiter, die derart mit mehreren Abschnitten verschiedener Materialen aufgebaut sind, gestatten eine präzise Einstellung eines gewünschten Grenzwertes, dem sich die Heizleitertemperatur asymptotisch nähert. Möglich ist es darüber hinaus auch, einen Heizleiter mit mehreren parallel geschalteten Abschnitten aus Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff und anderem Werkstoff zu verwenden. Bei einer solchen parallelen Anordnung beschränkt sich der Selbstregulierungseffekt auf die Abschnitte mit Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff. Auch Kombinationen aus in Reihe und parallel geschalteten Abschnitten des Heizleiters können zweckmäßig sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind Messmittel vorgesehen, mittels derer der Heizleiter als Temperatursensor verwendet werden kann. Solche Messmittel können zum Beispiel eine Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung aufweisen, die Rückschlüsse auf den absoluten Widerstand bzw. den spezifischen Widerstand des Heizleiters erlaubt. Die Messmittel ermöglichen einerseits, während des Heizbetriebs selbst die Temperatur des Heizleiters zu ermitteln. Andererseits ermöglichen sie es, bei ausgeschaltetem Heizleiter die Temperatur der Heizleiterumgebung zu messen. Zweckmäßig kann auch ein Wechselbetrieb des Heizleiters zwischen einer Heizfunktion und einer Messfunktion möglich sein. Eine solche Möglichkeit der Temperaturerfassung wird häufig im Zusammenhang mit Heizelementen gebraucht, beispielsweise um die Restwärme von zuvor ausgeschalteten Kochstellen zu ermitteln.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement ein Dünnschichtheizelement.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement ein Dickschichtheizelement.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Heizleiter als Bandheizleiter ausgebildet.

In einer nochmals anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Heizleiter als Drahtheizleiter ausgebildet.

Ein Anwendungsgebiet eines erfindungsgemäßen Heizleiters liegt im Bereich von Kochplatten bzw. Kochstellen, wie sie beispielsweise in der EP 853 444 A beschrieben sind, auf die diesbezüglich ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere der Selbstregulierungseffekt, der zu einer Begrenzung der Maximaltemperatur führt, ist bei Kochstellen vorteilhaft. Da bei diesen eine bestimmte Höchsttemperatur nicht überschritten werden soll, um Kochstelle, Gargefäß und Gargut nicht zu schädigen, werden bislang häufig sogenannte Stabregler eingesetzt, wie sie beispielsweise aus der EP 416 335 A bekannt sind, auf die diesbezüglich ausdrücklich verwiesen wird. Das Unterbringen dieser Stabregler in Kochstellen bringt allerdings konstruktive Schwierigkeiten mit sich. Diese sind mittels des Selbstregulierungseffekts von PTC-Heizelementen vermeidbar, da PTC-Heizelemente keine zusätzlichen Bauelemente im Bereich der Kochplatte erfordern. Darüber hinaus ermöglichen diese Stabregler keine Temperaturmessung, sondern bieten nur eine Information, ob eine bestimmte Temperatur überschritten ist. Auch diesbezüglich sind Stabregler den erfindungsgemäßen PTC-Heizelementen unterlegen, die eine Ermittlung der Temperatur selbst erlauben. Neben Kochstellen ist auch die Verwendung bei Rohrheizkörpern, beispielsweise für Backöfen, ein zweckmäßiges Anwendungsfeld.

Entsprechend den Heizelementen mit Messmitteln zum Erfassen der Temperatur können erfindungsgemäß auch reine Temperatursensoren realisiert werden, die ein Sensorelement aus einem Werkstoff mit temperaturabhängig veränderlichen spezifischem Widerstand aufweisen. Der Werkstoff des Sensorelements weist dabei einen Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff auf. Durch den in einem weiten Temperaturbereich kontinuierlichen Anstieg des spezifischen Widerstandes bei steigender Temperatur kann der Widerstand und damit die Temperatur sehr einfach durch eine Spannungs- bzw. Strommessung ermittelt werden. Hinzu kommt, dass der steile Anstieg des spezifischen Widerstandes über ei nen weiten Temperaturbereich hinweg eine sehr genaue Temperaturmessung ermöglicht, da schon geringe Temperaturveränderungen zu relativ großen und leicht erfassbaren Veränderungen des Widerstandes führen. Temperatursensoren aus Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffen bieten sich insbesondere für Temperaturen zwischen 0°C und 300°C an. Insbesondere in diesem Temperaturbereich ist das weitgehend lineare Verhältnis zwischen der Temperatur und dem Widerstand von Sensorelementen aus Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffen gegeben.

In Weiterbildungen eines solchen Temperatursensors ist der Supraleiter-Werkstoff des Temperatursensors Yttriumbariumkupferoxid oder Bi-2223. Dies ist vorstehend bereits beschrieben worden. Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) und Bi-2223 sind aufgrund des in weiten Grenzen proportionalen Verhältnisses zwischen spezifischem Widerstand und Temperatur sowie aufgrund der relativ großen Veränderung des spezifischen Widerstandes bei geringer Temperaturveränderung als Werkstoff für das Sensorelement eines Temperatursensors gut zu verwenden.

In einer Weiterbildung ist das Sensorelement mittels Dünnschichttechnik hergestellt. Dadurch wird erreicht, dass die gemessenen Widerstände sehr hoch sind und damit eine sehr genaue Messung ermöglicht wird. Verwendbar sind zu diesem Zweck beispielsweise YBCO-Filmschichten der Fa. Theva GmbH.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung 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 Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Kontaktkochplatte mit einem flachen Heizleiter,
2 eine Draufsicht auf die Unterseite der in 1 dargestellten Kontaktkochplatte und
3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen spezifischem Widerstand und Temperatur des Hochtemperatur-Supraleiters Bi-2223 darstellt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Seitenansicht einer Kontaktkochplatte 12, auf deren Unterseite ein Heizelement 11 aufgebracht ist, welches aus einem durchgehenden Heizleiter 14 besteht. 2 zeigt die in 1 dargestellte Kontaktkochplatte von der Unterseite. Das Heizelement ist in Form einer Doppelspirale an der Unterseite befestigt, wobei jeweils Abschnitte aus verschiedenen Materialien vorgesehen sind. Die mit 14a gekennzeichneten Abschnitte bestehen aus dem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Bi-2223, während die Abschnitte 14b aus konventionellem Heizleitermaterial bestehen, wie beispielsweise einer FeCrAl-Legierung. Die Verbindungen zwischen den Abschnitten verschiedener Materialien sind dabei so ausgebildet, dass keine störenden Übergangswiderstände oder ähnliche Grenzschichtprobleme auftauchen. Beim Heizleiter 14 kann es sich beispielsweise um einen Flachdraht handeln, der zusam mengesetzt ist aus Abschnitten 14a und 14b der verschiedenen Materialien. Er wird an die Unterseite der Kontaktkochplatte 12 geklebt. Denkbar ist aber auch, den Heizleiter 14 mittels der Dickschichttechnik auf der Unterseite der Kontaktkochplatte 12 aufzuschmelzen. Ebenso ist eine Ausbildung als freistehender Heizleiterdraht in einer Strahlungsheizeinrichtung möglich, wie sie beispielsweise in der EP 416 335 A beschrieben ist, auf die diesbezüglich ausdrücklich verwiesen wird.
3 zeigt ein Diagramm, in dem dargestellt ist, wie sich der spezifische Widerstand der Abschnitte 14a, die aus dem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Bi-2223 gefertigt sind, bei Veränderung der Temperatur verändert. Auf der Y-Achse des Diagramms ist der Widerstand in mOhm und auf der X-Achse des Diagramms die Temperatur in °C angegeben. Der Graph 18a zeigt den Widerstandsanstieg bei ansteigender Temperatur. Es ist zu erkennen, dass der Anstieg in einem Temperaturbereich von 0°C bis 250°C weitgehend linear erfolgt. Je höher die Temperatur des Heizleiters 14 also ist, desto höher ist der Widerstand und desto geringer ist dadurch der Stromfluss durch den Heizeiter 14 und die dem Heizleiter 14 zugeführte elektrische Leistung. Der zweite Graph 18b zeigt den Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur bei abfallender Temperatur des Heizleiters 14. Auch hierbei ist ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand zu erkennen.
Für die in den 1 und 2 dargestellte Kontaktkochplatte mit einem erfindungsgemäßen Heizelement bedeutet dies, dass der Temperaturanstieg sich zunehmend verlangsamt, je höher die Temperatur der Kontaktkochplatte wird. Bei gleichbleibender Spannung erreicht der Heizleiter 14 eine Grenztemperatur, bei der die elektrisch zugeführte Leistung mit der thermisch abgegebenen Leistung übereinstimmt. Die genaue Einstellung dieser Grenztemperatur ist über die Größe der Abschnitte 14a und 14b anpassbar, so dass bei einer gegebenen Spannung gezielt ein Maximalwert der Temperatur vorgesehen werden kann. Eine Vergrößerung der Abschnitte mit konventionellem Heizleitermaterial bei gleichzeitiger Verkleinerung der Abschnitte aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material führt dabei zu einer Erhöhung der Grenztemperatur, bei der der Selbstregulierungseffekt ein weiteres Ansteigen der Temperatur um Heizleiter 14 unterbindet.
Aus dem Diagramm ist leicht zu erkennen, wie das Verhalten für eine Temperaturmessung genutzt werden kann. Eine Bestimmung des Widerstands erlaubt den Rückschluß auf die Temperatur, welcher das Supraleiter-Material als Temperatursensor ausgesetzt ist.
Ein erfindungsgemäßer Temperatursensor kann dabei entsprechend dem Heizelement aus 1 aufgebaut sein. Dabei ist der Temperatursensor 11 mit einem Sensorelement 14 auf einem Trägermaterial 12 aufgebracht. Es bietet sich insbesondere die Dünnschichttechnik zur Herstellung eines solchen Temperatursensors an, da bei dieser Technik sehr hohe Widerstände erzielt werden, die eine genaue Messung des Widerstandes und damit der Temperatur ermöglichen.

Claims

Heizelement (11) mit mindestens einem Heizleiter (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) zumindest teilweise aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff besteht.
Heizelement (11) gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Bi-2223 ist.
Heizelement (11) gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Yttriumbariumkupferoxid ist.
Heizelement (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) neben dem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff zusätzlich aus mindestens einem nicht supraleitfähigen Werkstoff besteht, insbesondere einen Abschnitt aus einem solchen Material aufweist.
Heizelement (11) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Messmittel zur Verwendung des Heizleiters (14) als Temperatursensor.
Heizelement (11) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) ein Dickschichtheizleiter ist.
Heizelement (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) ein Dünnschichtheizleiter ist.
Heizelement (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) als Bandheizleiter ausgebildet ist.
Heizelement (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (14) als Drahtheizleiter ausgebildet ist.
Kochplatte (12) mit mindestens einem Heizelement (11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Temperatursensor (11) mit einem Sensorelement (14) aus Material mit temperaturabhängig veränderlichem spezifischem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) zumindest teilweise aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff besteht.
Temperatursensor (11) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Yttriumbariumkupferoxid ist.
Temperatursensor (11) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoff Bi-2223 ist.
Temperatursensor (11) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) als Dünnschicht-Element ausgebildet ist.
Temperatursensor (11) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) als Dickschicht-Element ausgebildet ist.
Verwendung eines Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffs als Heizleiter (14) eines Heizelements, insbesondere für eine Kontaktkochplatte (12).
Verwendung eines Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffs als Sensorelement (14) eines Temperatursensors (11).