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Die Erfindung betrifft ein Heizelement für ein Heizsystem für Gargeräte sowie ein Gargerät mit einem solchen Heizelement.
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Heizelemente für Gargeräte können aus einer Heizschicht bestehen, die aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Beim Anlegen einer Spannung an die Heizschicht fließt durch diese ein Strom, und aufgrund des elektrischen Widerstands des Materials der Heizschicht erwärmt sich der stromdurchflossene Teil. Dabei ist die in Wärme umgesetzte elektrische Energie eines bestimmten Abschnitts der Heizschicht über weite Bereiche proportional zu dem durch die Heizschicht fließenden Strom.
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Üblicherweise ist die Heizschicht aus einem homogenen Material hergestellt und weist dadurch eine homogene Heizleistung auf. Trotzdem wurde eine ungleichmäßige Erwärmung des Gargutbehälters bzw. des darin enthaltenen Garguts festgestellt, wodurch eine genaue Kontrolle der Temperatur des Garguts stark erschwert ist.
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Zudem sind die Heizschichten der Heizelemente meist nicht ohne Störstellen, beispielsweise elektrische Kontakte, Befestigungsaussparungen oder Biegungen. Diese Störstellen verhindern eine homogene Aufwärmung der Heizschicht, da um sie herum Bereiche mit erhöhten Temperaturen, sogenannte Hotspots, entstehen. Derart inhomogene Temperaturverteilungen erschweren die Temperaturkontrolle zusätzlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement bereit zu stellen, das den zu heizenden Gargutbehälter bzw. das zu heizende Gargut gleichmäßig erwärmt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Heizelement für ein Heizsystem für ein Gargerät, mit einem Träger, einer Heizschicht, die auf den Träger aufgebracht ist und eine Heizfläche mit einem Normalbereich bildet, und wenigstens einem Funktionsabschnitt der Heizfläche, wobei der Funktionsabschnitt die Heizleistung der Heizfläche lokal verändert. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Heizelement mit über die Fläche verteilter homogener Heizleistung eine ungleichmäßige Wärmeverteilung erzeugt, da verschiedene Bereiche des Heizelementes verschieden große Wärmeverluste erfahren. Beispielsweise ist der Wärmeverlust am Rand des Heizelementes größer als im Inneren. Um dem entgegen zu wirken, sind die Funktionsabschnitte vorgesehen, die die spezifische Heizleistung der Heizfläche lokal verändern, und zum Beispiel in den Randbereichen der Heizfläche eine größere Heizleistung bereitstellen. Dadurch können die Wärmeverluste der verschiedenen Bereiche der Heizfläche ausgeglichen werden. Somit werden eine homogene Wärmeverteilung und damit auch eine gleichmäßige Erwärmung des Gargutbehälters bzw. des zu garenden Garguts ermöglicht.
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Vorzugsweise enthält die Heizschicht wenigstens teilweise Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion, wodurch eine Heizschicht mit einer geringen Wärmekapazität bereitgestellt wird.
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Beispielsweise bildet ein Bereich der Heizschicht mit einer Schichtdicke, die sich von der Schichtdicke der Heizschicht des Normalbereiches unterscheidet, den Funktionsabschnitt, so dass der Funktionsabschnitt auf einfache Weise ausgebildet werden kann.
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In einer Ausführungsvariante ist der Funktionsabschnitt ein Bereich der Heizschicht, auf dem sich eine weitere Heizschicht befindet, wodurch die Heizleistung des Funktionsabschnittes eingestellt werden kann.
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Beispielsweise haben die Heizschicht und die weitere Heizschicht unterschiedliche Zusammensetzung, insbesondere unterschiedliche spezifische Widerstände, so dass der Unterschied der Heizleistungen genau eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise enthält die weitere Heizschicht Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion. Dadurch können die vorteilhaften Eigenschaften einer Heizschicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen auch für die weitere Heizschicht genutzt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Heizelement auch ein Temperaturfühler vorgesehen, der eine Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion enthaltende Messfläche aufweist, und dessen Temperatur durch Widerstandsmessung bestimmt wird. Hierdurch wird eine sehr genaue und direkte Temperaturmessung der Heizschicht ermöglicht.
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Vorzugsweise weist wenigstens eine der Heizschichten, die die Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere die Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion, enthält, Wasserglas auf, wodurch eine Temperaturbeständigkeit der Heizschicht bis 500°C ermöglicht wird.
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Besonders bevorzugt ist die Heizschicht, die die Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere die Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion, enthält, silikonfrei.
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Beispielsweise ist das Heizelement gekrümmt oder bildet eine Freiform, so dass das Heizelement mit beliebigen Gargutbehältern verwendet werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Träger und Heizschicht ein Dielektrikum vorgesehen, sodass der Träger und die Heizschicht gegeneinander isoliert sind.
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In einer weiteren Ausführungsvariante weist das Heizelement Stromverteiler auf, die über die Heizschicht derart verteilt sind, dass eine durch elektrische Kontakte erzeugte Stromdichte in der Heizschicht nahezu homogen ist. Auf diese Weise können unerwünschte Stellen mit starker Heizleistung, so genannte Hotspots, vermieden werden, welche sich insbesondere um Störstellen herum ausbilden.
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Die Stromverteiler können auf dem Funktionsabschnitt und/oder dem Normalbereich angeordnet sein, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen der Heizschicht und dem Stromverteiler besteht.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Stromverteiler zwischen den beiden Heizschichten angeordnet, sodass beide Heizschichten gleichermaßen in Kontakt mit dem Stromverteiler stehen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante sind die Stromverteiler abschnittsweise anstelle einer der beiden Heizschichten angeordnet, wodurch eine einfachere Herstellung des Schichtsystems ermöglicht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1a einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Heizelement,
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die 1b bis 1d einen Schnitt durch weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Heizelementes,
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2 das Heizelement nach 1a in Draufsicht,
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3 das Heizelement nach 1b in Draufsicht, und
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4 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizelementes.
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In 1a ist ein Heizelement 10 im Schnitt teilweise dargestellt. Das Heizelement 10 weist einen Träger 12 auf, auf dem ein Dielektrikum 13 und eine Heizschicht 14 aufgebracht sind. In bestimmten Bereichen ist die Heizschicht 14 zusätzlich mit einer weiteren Heizschicht 16 versehen, wobei dieser Bereich einen Funktionsabschnitt 18 bildet. Die Heizleistung ist in dem Funktionsabschnitt 18 unterschiedlich zu der Heizleistung eines Normalbereichs 20 ohne Funktionsabschnitt 18.
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Die Heizschichten 14, 16 bilden einzeln oder zusammen eine Heizfläche und enthalten Kohlenstoffnanoröhrchen, insbesondere eine Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion, und können Wasserglas aufweisen. Vorzugsweise sind sie frei von Silikon, damit eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 500°C erreicht wird.
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In der Regel weisen die Heizschichten 14, 16 bezüglich der Kohlenstoffnanoröhrchen unterschiedliche Zusammensetzungen auf, die zu unterschiedlichen spezifischen Widerständen führen.
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Der Funktionsabschnitt 18 kann auch durch einen Bereich der Heizschicht 14 mit anderer Schichtdicke gebildet werden. In diesem Fall wäre die weitere Heizschicht 16 ein Teil der Heizschicht 14 und aus dem gleichen Material.
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Der Funktionsabschnitt 18 ist also ein Abschnitt der Heizfläche, der eine andere Schichtdicke als der Normalbereich 20, eine andere Zusammensetzung als der Normalbereich 20 und/oder eine weitere Heizschicht 16 aufweist.
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In 1b ist eine zweite Ausführungsform des Heizelementes 10' im Schnitt gezeigt. Sie entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform nach 1a, wobei auf der weiteren Heizschicht 16 ein Stromverteiler 22 vorgesehen ist. Der Stromverteiler 22 kann auch im Normalbereich 20 auf der Heizschicht 14 angeordnet sein und enthält Metall, insbesondere Silber, oder eine hochgradig leitfähige Kohlenstoffnanoröhrchen-Dispersion.
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1c zeigt ähnlich der 1b eine dritte Ausführungsform mit einem Stromverteiler 22. Jedoch ist der Stromverteiler 22 im Funktionsabschnitt 18 teilweise an Stelle der Heizschicht 14 vorgesehen. Der Stromverteiler 22 befindet sich folglich zwischen der weiteren Heizschicht 16 und dem Dielektrikum 13 und unterbricht die Heizschicht 14.
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1d zeigt eine vierte Ausführungsform des Heizelementes 10', ebenfalls mit einem Stromverteiler 22. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1c ist der Stromverteiler 22 jedoch zwischen der Heizschicht 14 und der weiteren Heizschicht 16 angeordnet, so dass die Heizschicht 14 nicht durch den Stromverteiler 22 unterbrochen ist. Die Schichtdicken der Heizschicht 14 und der weiteren Heizschicht 16 sind jedoch im Bereich des Stromverteilers 22 verringert, um Raum für den Stromverteiler 22 zu schaffen.
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In 2 ist das Heizelement 10 in Draufsicht zu erkennen. In dieser Ausführungsform sind zwei Funktionsabschnitte 18 an den seitlichen Rändern des Heizelementes 10 ausgebildet. Der innenliegende Normalbereich 20 ist ohne Funktionsabschnitte 18 ausgebildet. An den, in Bezug auf die Abbildung, oberen und unteren Seiten des Heizelements 10 sind Kontakte 24 angeordnet, die sich entlang der gesamten Breite des Heizelementes 10 erstrecken.
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Zudem weist das Heizelement 10 Durchbrüche 26 auf, beispielsweise Löcher zur Befestigung des Heizelementes 10 in einem Gargerät, die sich hinsichtlich der gleichmäßigen Wärmeerzeugung im Heizelement 10 als Störstellen darstellen. Störstellen können nicht nur durch Durchbrüche entstehen, sondern auch durch andere Befestigungselemente oder dergleichen hervorgerufen werden. Auch Biegestellen können sich als Störstelle auswirken.
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Zum Betrieb des Heizelementes 10 wird zwischen den Kontakten 24 eine Spannung angelegt, so dass ein Strom durch die Heizschicht 14 und gegebenenfalls die weitere Heizschicht 16 erzeugt wird.
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Dieser Strom führt dazu, dass sich die Heizschichten 14, 16 erwärmen. Die Heizleistung der Funktionsabschnitte 18 und des Normalbereiches 20 hängt dabei von der Schichtdicke, den benutzten Materialien der Heizschichten 14, 16 und von dem durch sie fließenden Strom ab.
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Die Ränder des Heizelementes 10 haben, beispielsweise aufgrund thermischer Strahlung, einen größeren Wärmeverlust als innenliegende Bereiche des Heizelementes 10. Deswegen ist die Heizleistung der außenliegenden Funktionsabschnitte 18 größer als die Heizleistung des innenliegenden Normalbereiches 20 gewählt, um die größeren Wärmeverluste der Ränder auszugleichen. Die Heizleistungen sind dabei derart aneinander angepasst, dass die Wärmeverteilung über das gesamte Heizelement 10 im Wesentlichen homogen ist.
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Außerdem kann durch das Anbringen zweier Leiter ein Temperaturfühler realisiert werden. Als Messfläche 28 dient hierzu ein Abschnitt der Heizschicht 14 oder 16, der mittels zwei Leitern 30 kontaktiert wird, die mit einer Auswerteelektronik (nicht gezeigt) verbunden sind. Die Auswerteelektronik misst den Widerstand der Heizschicht 14, 16 zwischen den Kontaktstellen der Leiter 30. Hieraus kann dann auf die Temperatur der Heizschicht 14, 16 geschlossen werden, da der Widerstand der Kohlenstoffnanoröhrchen temperaturabhängig ist. Somit ist es möglich die Temperatur der Heizschicht 14, 16 unmittelbar zu bestimmen.
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Das Heizelement 10', das in 3 dargestellt ist, entspricht im Wesentlichen dem Heizelement 10 nach 2. Jedoch sind, wie in der Ausführungsform nach 1b, zwei Stromverteiler 22 im Bereich zwischen den beiden Kontakten 24 angeordnet. Die Stromverteiler 22 befinden sich auf unterschiedlichen Seiten einer gedachten Linie zwischen den beiden Durchbrüchen 26 und erstrecken sich parallel zu dieser Linie. Die Stromverteiler 22 haben eine Länge, die größer als der Abstand der beiden Durchbrüche 26 ist, so dass beide Durchbrüche 26 vollständig im Bereich zwischen den Stromverteilern 22 liegen.
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Die Stromverteiler 22 verringern, durch Verteilen des Stromes über ihre Ausdehnung, die Stromdichte in den Bereichen um die Durchbrüche 26 herum.
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Dadurch verhindern die Stromverteiler 22, dass um die Durchbrüche 26 Bereiche mit erhöhten Stromdichten auftreten, die zu Hotspots führen würden.
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In 4 ist schematisch eine weitere Ausführungsform zur Anordnung der Funktionsabschnitte 18 in einem Ausschnitt des Heizelementes 10'' in Draufsicht dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Funktionsabschnitten 18 vorgesehen, so dass sich die Funktionsabschnitte 18 und die Normalbereiche 20 abwechseln.
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Eine Veränderung der spezifischen Heizleistung über einen größeren Bereich wird in dieser Ausführungsform durch verschiedene Dichten der Funktionsabschnitte 18 in den Normalbereichen 20 erreicht.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Heizleistung graduell zu verändern, sodass eine noch bessere Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung des Heizelementes 10'' erreicht werden kann.
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Selbstverständlich ist die Ausführungsform nach 4 mit den vorgenannten Ausführungsformen kombinierbar.
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Weiterhin ist die Form des Heizelements nicht auf eine ebene Platte beschränkt. Vielmehr kann das Heizelement gekrümmt sein oder eine Freiform bilden. So können Heizelemente für beliebige Gargutbehälter hergestellt werden, die von außen an den Gargutbehälter bündig anlegbar sind.
