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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit Heizmitteln und mit einer flachen Trägerscheibe dafür, wobei die Heizmittel an der Trägerscheibe angeordnet sind. Des Weiteren weist die Heizeinrichtung Verstärkungsmittel auf, um ein Verziehen und/oder Aufwölben der Trägerscheibe möglichst zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2016 224 069 A1 ist beispielsweise eine Heizeinrichtung bekannt, die eine flache Trägerscheibe aufweist. An einer Oberseite und an einer Unterseite sind Heizmittel vorgesehen als eine Vielzahl von Heizleitern. Durch dieses beidseitige Belegen der Trägerscheibe mit Heizmitteln soll ein vorgenanntes Verziehen bzw. Aufwölben der Trägerscheibe vermieden werden können.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Heizeinrichtungen bekannt mit einer Trägerscheibe und Heizmitteln auf einer Seite der Trägerscheibe sowie Verstärkungsmitteln auf einer Seite der Trägerscheibe. Diese Verstärkungsmittel sollen, beispielsweise als eine Art Kreuz oder Gitterstruktur, ein Verziehen bzw. Aufwölben der Trägerscheibe aufgrund von Erwärmen im Betrieb der Heizmittel reduzieren oder ganz vermeiden. Dazu sind zum Teil sehr massiv ausgebildete Verstärkungsmittel nötig, die einen baulichen Aufwand bedeuten, der störend ist, sowie durch ihre relativ große Masse die thermische Masse der gesamten Heizeinrichtung unnötig erhöhen.
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Aus der
DE 608697 A ist eine Heizeinrichtung mit Heizmitteln und einer flachen Trägerscheibe für die Heizmittel bekannt. Es sind Verstärkungsmittel für die Trägerscheibe vorgesehen, um sie gegen ein Verziehen zu verstärken und dieses somit möglichst zu verhindern. Diese Verstärkungsmittel können als Metallkreuz in einer Ebene parallel zur Oberseite der Heizeinrichtung ausgebildet sein und weitgehend innerhalb einer Trägerscheibe verlaufen. Ein Querschnitt der Verstärkungsmittel kann flach und rechteckig sein, alternativ Doppel-T-förmig.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Heizeinrichtung zu schaffen, mit der Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und es insbesondere möglich ist, ein Verziehen einer Trägerscheibe der Heizeinrichtung mit Heizmitteln darauf aufgrund von Erwärmung zu reduzieren oder sogar ganz zu vermeiden.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung Heizmittel und eine flache Trägerscheibe für die Heizmittel aufweist, wobei die Trägerscheibe eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Trägerscheibe kann an der Oberseite und/oder an der Unterseite plan bzw. eben sein, muss dies aber nicht zwingend. Zumindest auf der Seite, auf der die Heizmittel angeordnet sind, ist es jedoch von Vorteil, wenn die Trägerscheibe keine Erhebungen aufweist. Die Heizmittel können dabei vorzugsweise längliche Heizleiter sein, die die Oberseite und/oder die Unterseite überdecken, beispielsweise in spiraliger Form, in radialer Richtung verlaufend, in Mäanderform odgl.. An der Oberseite und/oder Unterseite der Trägerscheibe sind Verstärkungsmittel vorgesehen, die die Trägerscheibe gegen ein Verziehen und/oder gegen ein Aufwölben, wie es im Betrieb der Heizmittel auftreten kann, verstärken bzw. stabilisieren, um ein solches Verziehen bzw. Aufwölben zu reduzieren oder zu vermeiden. Es wird als vorteilhaft angesehen, die Verstärkungsmittel auf der gleichen Seite wie die Heizmittel anzuordnen, da hier die Ausdehnung und somit ein Auslösen einer Ausdehnung und somit auch Aufwölbung größer ist aufgrund der Heizwirkung.
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Erfindungsgemäß weisen die Verstärkungsmittel Verstärkungs-Bauteile auf, die aus zwei Materialien bestehen, die wiederum unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Diese Verstärkungs-Bauteile können also wirken wie dies als Bimetall-Effekt bekannt ist, wobei sie nicht zwingend metallisch sein müssen. Auch andere Materialien bieten sich an, zum Beispiel keramische Materialien mit einem sehr geringen oder verschwindenden Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie werden dann eben mit einem Material mit entsprechend höherem bzw. größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten kombiniert. Die Verstärkungs-Bauteile sind derart ausgebildet und an einer Seite der Trägerscheibe angeordnet, dass sie bei zunehmender Erwärmung infolge des Betriebs der Heizmittel eine Kraft ausüben. Diese Kraft ist so ausgerichtet, dass sie einen Außenbereich oder Außenrandbereich der Trägerscheibe relativ zu einem Mittelbereich der Trägerscheibe nach unten drückt und somit versucht, eine Wölbung des Mittelbereichs der Trägerscheibe in einer Richtung hin zu der Oberseite zu bewirken. Somit wirken die Verstärkungs-Bauteile bzw. die Verstärkungsmittel den Verformungen entgegen, die durch den Betrieb der Heizmittel entstehen, welche üblicherweise so sind, dass sich der Außenrandbereich der Trägerscheibe nach oben wölben würde. Es wird also eine Art Bimetall-Effekt genutzt, um ein Verziehen bzw. Aufwölben der Trägerscheibe im Betrieb der Heizmittel zu reduzieren oder auszugleichen. Der Vorteil der Nutzung eines solchen dem Bimetall-Effekt entsprechenden Effekts, möglicherweise mit anderen Materialien als mit Metallen, ist der, dass ebenfalls eine Verformung aufgrund Erwärmung genutzt wird. Dadurch ist es möglich, mit ansteigender Erwärmung auch den ausgleichenden Effekt stärker werden zu lassen. Dies ist sehr vorteilhaft, da dann eingestellt werden kann, die Kraft der Verstärkungs-Bauteile eben jeweils so groß zu machen, wie sie benötigt wird, in der Regel mit zunehmender Erwärmung oder höherer Heizleistung der Heizmittel als stärkere Kraft auszugestalten.
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Die Heizmittel können Dickschicht- oder Dünnschichtheizleiter sein, Kontakt- bzw. Rohrheizkörper, Strahlungsheizelemente in Bandform oder Induktionsheizspulen.
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In einer ersten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass die Verstärkungs-Bauteile im Wesentlichen die Verstärkungsmittel bilden. Dabei kann es sogar vorgesehen sein, dass die Verstärkungs-Mittel nur aus mindestens einem Verstärkungs-Bauteil bestehen oder sämtlich aus Verstärkungs-Bauteilen bestehen. Dabei können die Verstärkungsmittel sämtlich aus zwei Materialien mit jeweils unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. So wird ein einheitlicher und gleichartiger Effekt verwendet auf gleichartige Art und Weise, um ein Verziehen bzw. Aufwölben der Trägerscheibe zu reduzieren oder zu vermeiden.
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In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Verstärkungs-Bauteile ein Verstärkungs-Stab ist, wobei dieser parallel zur Unterseite der Trägerscheibe oder nahe an der Unterseite der Trägerscheibe verlaufen kann. Möglicherweise kann er sogar daran anliegen, wobei er nicht zwingend über seine gesamte Länge mit der Unterseite der Trägerscheibe fest verbunden sein muss. Mit mindestens einem freien Ende ist der Verstärkungs-Stab mit der Trägerscheibe in deren Außenrand bzw. Außenrandbereich verbunden. Dies kann ein Einhaken sein, in jedem Fall wird ein Formschluss bevorzugt. Ein Abstand von einem Außenrand bzw. Außenrandbereich der Trägerscheibe sollte maximal 10 % des Durchmessers der Trägerscheibe betragen, der Verstärkungs-Stab sollte also möglichst weit außen daran angreifen bzw. verbunden sein. Ein anderes freies Ende des Verstärkungs-Stabs kann dann entweder an der etwa gegenüberliegenden Seite an der Trägerscheibe fest verbunden sein, vorteilhaft wieder am Außenrandbereich oder direkt am Außenrand. Alternativ kann der Verstärkungs-Stab in einem Mittelbereich der Trägerscheibe mit anderen Verstärkungs-Stäben oder einem Verteilerstück odgl. verbunden sein.
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In jedem Fall weist hier das Verstärkungs-Bauteil ein erstes Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten zu der Unterseite der Trägerscheibe hingewandt auf. Ein zweites Material des Verstärkungs-Bauteils weist einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und ist auf der von der Unterseite der Trägerscheibe abgewandten Seite des Verstärkungs-Bauteils vorgesehen. Hierbei ist der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient. Dadurch wird erreicht, dass sich bei zunehmender Erwärmung der Heizeinrichtung und vor allem auch des Verstärkungs-Bauteils eine Biegung desselben einstellt, die dem Verziehen bzw. Aufwölben der Trägerscheibe mit dem Außenrand nach oben entgegenwirkt.
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In nochmaliger Weiterbildung kann hier vorgesehen sein, dass das Verstärkungs-Bauteil flächig ausgebildet ist bzw. so ausgebildet ist, dass es eine Fläche überspannt. Dabei kann es, insbesondere nach Art vorgenannter Verstärkungs-Stäbe, durchgehend von einem Außenrandbereich zu einem anderen Außenrandbereich verlaufen, insbesondere zwischen gegenüberliegenden Außenrandbereichen. Es kann so mit zwei durchgehenden Verstärkungs-Stäben als Kreuz ausgebildet sein oder mit noch mehr durchgehenden Verstärkungs-Stäben in regelmäßiger Anordnung als eine Art Spinne odgl.. Die Verstärkungs-Stäbe können auch nur bis zu einem Mittelbereich gehen, in diesem sollten sie aber fest miteinander verbunden sein.
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Alternativ könnten die Verstärkungs-Bauteile auch breite Verstärkungs-Stäbe sein oder sogar eine gesamte Scheibe aus den beiden Materialien mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Durch eine Scheibe kann natürlich eine möglichst große Kraft aufgebracht werden, allerdings sind hier Herstellung und Materialaufwand relativ groß.
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In einer anderen zweiten grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verstärkungsmittel mindestens einen geschlossenen Verstärkungs-Ring auf. Dieser Verstärkungs-Ring ist Teil der Verstärkungsmittel. Dieser Verstärkungs-Ring besteht vorteilhaft aus einem einzigen Material, beispielsweise aus einem Material mit sehr geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise einer Legierung aus FeNi36, die auch als Invar 36 bekannt ist. Der Verstärkungs-Ring kann rund sein, insbesondere kreisrund, er könnte aber auch beispielsweise dreieckige, rechteckige oder quadratische Form aufweisen. Er sollte geschlossen sein. Des Weiteren weisen die Verstärkungsmittel noch Verstärkungs-Stäbe auf als Verstärkungs-Bauteile. Diese sind etwas anders ausgebildet als die vorgenannten Verstärkungs-Stäbe. Sie weisen zwar auch zwei längs ihres Längsverlaufs verlaufende Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf bzw. bestehen nur aus diesen beiden Materialien. An dem Verstärkungs-Ring greifen mindestens drei solche Verstärkungs-Stäbe an bzw. sind daran befestigt. Vorteilhaft können es auch vier Verstärkungs-Stäbe sein. Diese sind jeweils mit einem freien Ende oder freien Endbereich mit dem Verstärkungs-Ring verbunden und daran befestigt. Dabei verlaufen die Verstärkungs-Stäbe vorteilhaft in tangentialer Ausrichtung zu dem Verstärkungs-Ring, so dass sie in gedachter Verlängerung nur an einem Punkt mit dem Verstärkungs-Ring verbunden sind. Zumindest einer der Verstärkungs-Stäbe ist dann mit einem freien Ende oder freien Endbereich mit einem Außenrand oder Außenrandbereich der Trägerscheibe verbunden, wie dies zuvor erläutert worden ist.
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Als Besonderheit kann hier vorgesehen sein, dass die Verstärkungs-Stäbe, insbesondere sämtliche Verstärkungs-Stäbe, derart aus den zwei genannten Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet sind, dass sie sich in einer Ebene parallel zur Unterseite der Trägerscheibe verbiegen bei Erwärmung. Dies ist also ein signifikanter Unterschied zur vorgenannten Ausgestaltung. Diese Verbiegung der Verstärkungs-Stäbe kann also nicht direkt die Trägerscheibe an einer Verformung oder Wölbung hindern wie bei der vorgenannten ersten Ausgestaltung. Allerdings verbiegen sich an jedem Verstärkungs-Ring die Verstärkungs-Stäbe bei Erwärmung derart, dass sie in Umlaufrichtung um den Verstärkungs-Ring gesehen jeweils gleichsinnige bzw. gleichgerichtete Biegungen erfahren. Besonders vorteilhaft ist dies so, dass alle Verstärkungs-Stäbe an einem Verstärkungs-Ring, an dem sie befestigt sind, zu diesem hin weisend das Material mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Material mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten weist von dem Verstärkungs-Ring weg bzw. ist auf der von dem Verstärkungs-Ring abgewandten Seite der Verstärkungs-Stäbe angeordnet. Dadurch krümmen sich die Verstärkungs-Stäbe jeweils gleichartig. Eine derartige Struktur ist auch bekannt als anti-chirale Struktur oder als anti-chirale Einheit, und sie weist den besonderen Effekt auf, dass durch die gleichgerichtete zunehmende Biegung der Verstärkungs-Stäbe bei Erwärmung der sie verbindende Verstärkungs-Ring sich sozusagen etwas dreht. Dadurch verringern die anderen freien Enden der Verstärkungs-Stäbe ihren Abstand zueinander bzw. die Struktur zieht sich zusammen oder verkleinert sich. So kann, wenn diese freien Enden beispielsweise an der Trägerscheibe im Außenrandbereich fest verbunden sind, einer Aufwölbung dieses Außenrandbereichs bzw. der gesamten Trägerscheibe entgegengewirkt werden.
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Alternativ können die Verstärkungsmittel bzw. deren Verstärkungs-Bauteile nicht in einer Ebene verlaufen, sondern in einer Fläche, die gewölbt ist. Sie sind vorteilhaft konvex von der Trägerscheibe weg gewölbt, also in einem Mittelbereich, wodurch sie mehr bzw. besser Kraft auf diese ausüben können, um sie am Rand nach unten drücken zu können bzw. um sie an einer Aufwölbung nach oben hindern zu können.
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In einer ersten möglichen Weiterbildung der Erfindung sind an einem Verstärkungs-Ring vier Verstärkungs-Stäbe vorgesehen und befestigt. Besonders vorteilhaft sind diese Verstärkungs-Stäbe gleichmäßig verteilt und an jeweils gegenüberliegenden Punkten mit einem freien Ende mit dem Verstärkungs-Ring fest verbunden. Eine solche Struktur kann, wie zuvor erläutert worden ist, mit den anderen freien Enden der Verstärkungs-Stäbe mit dem Außenrandbereich der Trägerscheibe verbunden werden. Um eine stärkere Wirkung mit mehr Kraft und somit höherer Stabilisierung der Trägerscheibe zu erreichen, können die Verstärkungsmittel vier solcher Verstärkungs-Ringe und zwölf Verstärkungs-Stäbe als Verstärkungs-Bauteile aufweisen. Bevorzugt sind sämtliche Verstärkungs-Ringe und auch die meisten oder alle der Verstärkungs-Stäbe identisch. Pro Verstärkungs-Ring sind zwei Verstärkungs-Stäbe, die vorteilhaft benachbart zueinander sind, mit ihrem anderen freien Ende mit der Trägerscheibe im Außenrandbereich verbunden. Zwei Verstärkungs-Stäbe sind mit ihrem anderen freien Ende jeweils mit einem anderen benachbarten Verstärkungs-Ring verbunden, so dass auch immer benachbarte Verstärkungs-Ringe mittels genau eines Verstärkungs-Stabs miteinander verbunden sind.
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Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwei Verstärkungs-Stäbe, die jeweils zwei je benachbarte Verstärkungs-Ringe miteinander verbinden, parallel zueinander sind. An von den anderen Verstärkungs-Ringen weg weisenden Bereichen sind sie mit diesen benachbarten Verstärkungs-Ringen fest verbunden. Die anderen zwei Verstärkungs-Stäbe, die jeweils zwei benachbarte Verstärkungs-Ringe miteinander verbinden, sind an den zu den anderen Verstärkungs-Ringen hin weisenden Bereichen mit diesen benachbarten Verstärkungs-Ringen fest verbunden. So sind zwar insgesamt an allen vier Verstärkungs-Ringen vier Verstärkungs-Stäbe angeordnet. Dabei teilen sich benachbarte Verstärkungs-Ringe jeweils einen einzigen Verstärkungs-Stab miteinander. Besonders vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass die vier Verstärkungs-Ringe gleichmäßig angeordnet sind, insbesondere gleichmäßig im Rechteck oder im Quadrat. Jeder Verstärkungs-Ring kann zwischen 15 % und 45 % des Durchmessers von einem Mittelpunkt der Trägerscheibe entfernt angeordnet sein. Ein Durchmesser der Trägerscheibe kann zwischen 400 mm und 600 mm liegen. Eine typische Größe für einen Verstärkungs-Ring kann bei einem Durchmesser von 60 mm liegen. Die Stäbe können etwa 120 mm bis 150 mm lang sein. Sie können eine Breite von etwa 5 mm aufweisen und eine Dicke von etwa 2 mm, wobei die beiden miteinander verbundenen Materialien mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufeinanderliegend diese Dicke von etwa 2 mm ergeben. Die Ringe selbst können aus einem Material mit einer Dicke von 2 mm bis 3 mm bestehen.
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Alternativ zu einer Anordnung von vier Verstärkungs-Stäben pro Verstärkungs-Ring und vier Verstärkungs-Ringen können nur drei Verstärkungs-Stäbe an einem einzigen Verstärkungs-Ring vorgesehen und befestigt sein. Auch diese sollten gleichmäßig verteilt sein und an einem freien Ende mit dem Verstärkungs-Ring jeweils fest verbunden sein. Ebenso sollten sie, wie eingangs erläutert worden ist, in tangentialer Ausrichtung mit dem Verstärkungs-Ring verbunden sein.
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Für eine gesamte Struktur kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungsmittel sechs Verstärkungs-Ringe und zwölf Verstärkungs-Stäbe als Verstärkungs-Bauteile aufweisen. Die sechs Verstärkungs-Ringe sollten dabei gleichmäßig, also im Sechseck, um einen zentralen Mittelbereich der Trägerscheibe herum angeordnet sein. Pro Verstärkungs-Ring ist ein Verstärkungs-Stab mit einem freien Ende mit dem Außenrandbereich der Trägerscheibe verbunden. Zwei andere Verstärkungs-Stäbe sind mit dem vom Ring weg weisenden freien Ende jeweils mit einem anderen benachbarten Verstärkungs-Ring verbunden. Somit läuft entlang des Sechsecks sozusagen immer abwechselnd ein Verstärkungs-Stab außen und ein Verstärkungs-Stab innen von einem Ring zum benachbarten. Somit ergibt sich auch eine gleichmäßige Struktur, ähnlich wie zuvor beschrieben für die Struktur mit den vier Verstärkungs-Ringen. Diese Gleichmäßigkeit der Verstärkungsmittel wird als wichtig angesehen, um der durch die Erwärmung erzeugten Verformung der Trägerscheibe gleichmäßig entgegenzuwirken.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass nur die bis in den Außenrandbereich der Trägerscheibe reichenden freien Enden der Verstärkungs-Stäbe mit der Trägerscheibe fest verbunden sind. Ansonsten sollen keine weiteren Verstärkungs-Bauteile der Verstärkungsmittel mit der Trägerscheibe verbunden sein, so dass die gesamte Struktur sozusagen über die Unterseite der Trägerscheibe diese verspannt bei zunehmender Erwärmung gegen ein Verziehen oder vorgenanntes Aufwölben.
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Ein wichtiger Vorteil bei Verwendung einer solchen anti-chiralen Struktur ist eben die Umwandlung der Biegung der Verstärkungs-Stäbe aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung entsprechend dem Bimetall-Effekt in eine Drehung des Verstärkungs-Rings, an dem sie angreifen und befestigt sind. Dadurch wiederum werden die außen freiliegenden Enden der Verstärkungs-Stäbe sozusagen zusammengezogen.
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Da die Verstärkungsmittel bzw. die Verstärkungs-Bauteile vorteilhaft auf der gleichen Seite der Trägerscheibe wie die Heizmittel bzw. Heizleiter angeordnet sind, und bei drohender Aufwölbung der Trägerscheibe auch in Kontakt kommen können, wird es als vorteilhaft angesehen, hier zumindest eine elektrisch Isolation vorzusehen. Das kann beispielsweise eine dünne Scheibe oder Folie aus Glimmer, Kapton odgl. sein. Sie sollte auch widerstandsfähig bzw. robust genug sein, dass sie nicht durch die Heizmittel oder die Verstärkungsmittel beschädigt wird, wodurch ihre Isolationswirkung gefährdet werden könnte.
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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 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 Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung mit einer Trägerscheibe und Heizleitern und Verstärkungsmitteln an der Unterseite,
- 2 eine Unteransicht der Heizeinrichtung aus 2 mit kreuzförmigen Verstärkungsmitteln bestehend aus zwei Verstärkungs-Stäben,
- 3 eine starke Vergrößerung des rechten Rands der Heizeinrichtung aus 1 mit Darstellung, wie ein Verstärkungs-Stab aus zwei Materialschichten gebildet ist und mit einem Hakenende um einen Außenrand der Trägerscheibe greift,
- 4 eine Unteransicht einer alternativen Ausgestaltung einer Heizeinrichtung mit Verstärkungsmitteln, die einen runden Verstärkungs-Ring und vier daran befestigte Verstärkungs-Stäbe aufweisen,
- 5 eine starke Vergrößerung eines Details eines Verstärkungs-Stabs mit zwei unterschiedlichen Materialschichten,
- 6 eine Darstellung einer Verformung der Verstärkungsmittel aus 4 mit Erwärmung beim normalen Betrieb der Heizeinrichtung, wobei die Versstärkungs-Stäbe gebogen sind und der Verstärkungs-Ring verdreht ist,
- 7 eine Unteransicht einer weiteren erfindungsgemäßen Heizeinrichtung mit Verstärkungsmitteln, die vier anti-chirale Einheiten entsprechend 4 aufweisen im kühlen Zustand,
- 8 die Verstärkungsmittel aus 7 im erwärmten Zustand ohne Befestigung der freien Enden der Verstärkungs-Stäbe und
- 9 eine nochmals weitere Abwandlung von Verstärkungsmitteln, die aus anti-chiralen Einheiten mit drei Verstärkungs-Stäben pro Verstärkungs-Ring bestehen, wobei insgesamt sechs Verstärkungs-Ringe vorgesehen sind.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der
1 ist in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung
11 in einer ersten Ausgestaltung vereinfacht dargestellt, die beispielsweise ähnlich der vorgenannten
DE 10 2016 224 069 A1 ausgebildet ist und möglicherweise für einen ähnlichen Zweck verwendet werden kann. Sie kann also möglicherweise auch unterhalb einer hier nicht dargestellten Kochplatte angeordnet sein und diese beheizen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Heizeinrichtung allgemein in einem Kochfeld angeordnet sein, vorteilhaft mit einer Kochfeldplatte aus Glaskeramik. Die Heizeinrichtung
11 weist eine flache runde Trägerscheibe
13 auf mit einem Außenrand
13', wie die Unteransicht der
2 zeigt. Mit der in
1 nach oben weisenden Oberseite kann die Trägerscheibe
13 an einer Abdeckung oder Kochplatte odgl. anliegen. An einer Unterseite weist die Trägerscheibe
13 Heizleiter
12 auf, die grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein können. Insbesondere können sie ausgestaltet sein wie aus der vorherigen
DE 10 2016 224 069 A1 bekannt ist, allerdings eben ausschließlich an der Unterseite. Sie können auch einen anderen Verlauf haben, beispielsweise spiralig oder mäanderförmig. Sie sind der Übersichtlichkeit halber hier nicht dargestellt aber leicht vorstellbar.
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An der Unterseite 14 sind auch die Verstärkungsmittel 16 vorgesehen, die im Wesentlichen aus zwei Verstärkungs-Stäben 18a und 18b bestehen, die mittig mit einer Verbindung 20 miteinander verbunden sind. So bilden sie eine Art Kreuz. Es könnten auch vier entsprechend kürzere Verstärkungs-Stäbe sein, die sämtlich mit ihren inneren freien Enden an der Verbindung 20 aneinander befestigt oder miteinander verbunden sind. Diese Verbindung 20 liegt in einem Mittelbereich 14' der Unterseite 14 bzw. der Trägerscheibe 13.
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Die Verstärkungs-Stäbe 18a und 18b sind weitgehend gleich ausgebildet, allerdings übergreift der eine den anderen. Ihre außenliegenden freien Enden sind gemäß 3 als Hakenende 19 ausgebildet und umgreifen den Außenrand 13' der Trägerscheibe 13. Ein in 3 in Vergrößerung geschnitten dargestellter Verstärkungs-Stab 18 besteht aus zwei Schichten, nämlich einer oberen aktiven Materialschicht 22 und einer unteren inaktiven Materialschicht 23. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der aktiven Materialschicht 22 ist deutlich größer als derjenige der inaktiven Materialschicht 23. So kann die aktive Materialschicht 22 beispielsweise aus Metall sein und eine Legierung FeNi20Mn6 sein. Die inaktive Materialschicht 23 kann vorteilhaft aus FeNi36 bestehen, welches auch als Invar 36 bekannt ist und einen nahezu verschwindend geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Somit ist der Verstärkungs-Stab 18 sozusagen als klassisches Bimetall ausgebildet mit einer zur Trägerscheibe 13 und zu dem Heizleiter 12 zugewandten aktiven Materialschicht 22 mit dem deutlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der Verstärkungs-Stab 18 kann eine Dicke von 3 mm bis 5 mm aufweisen und eine Breite von 10 mm.
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Durch die von dicken Punkten ausgehenden kurzen Pfeile ist in 3 zum Einen eingezeichnet, wie sich bei Erwärmung die Trägerscheibe 13 verzieht bzw. aufwölbt. Im in 3 linken Bereich geht sie eher nach unten, während sie im in 3 rechten Bereich nahe dem Außenrand 13' nach oben aufgewölbt wird. Auf die 1 mit der gesamten Heizeinrichtung 11 bezogen wölbt sich diese also links und rechts hoch. Auf die 2 mit der Unteransicht bezogen wölbt sie sich im Mittelbereich 14' aus der Zeichenebene heraus. Die Trägerscheibe 13 kann beispielsweise aus Mikanit bestehen, und dehnt sich durch den Heizleiter 12 auf der Unterseite 14 hier an der Unterseite stärker aus als an der Oberseite. Bei Erwärmung verbiegen sich die Verstärkungs-Stäbe 18 der Verstärkungsmittel 16 in der entgegengesetzten Richtung, so dass hier gemäß 3 die aktive Materialschicht 22 nahe dem Außenrand 13' sozusagen sich nach unten zu bewegen versucht bzw. mit Kraft nach unten drückt, vor allem weil sich die inaktive Materialschicht 23 nicht ausdehnt. Dies ist der klassische Bimetall-Effekt. Durch die mechanische Verbindung des Verstärkungs-Stabs 18 mit der Trägerscheibe 13 außen bzw. am Außenrand 13' aufgrund des umgreifenden Hakenendes 19 zieht der Verstärkungs-Stab 18 diesen nach unten bzw. wirkt einer Aufwölbung der Trägerscheibe 13 entgegen. Je nach Wahl der Materialien für den Verstärkungs-Stab und für die Trägerscheibe 13 sowie abhängig von der Wahl der Dicke des Verstärkungs-Stabs 18 bzw. der Materialschichten 22 und 23 kann die Stärke dieses Bimetall-Effekts eingestellt werden und somit auch die Stärke der Kraft, die einer Aufwölbung des Außenbereichs der Trägerscheibe 13 nach oben entgegenwirkt.
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Eine alternative Ausgestaltung einer Heizeinrichtung 111 mit anderer Form für die Verstärkungsmittel ist in 4 dargestellt. An der Unterseite 114 einer Trägerscheibe 113 ist ein Verstärkungsmittel 16 als anti-chirale Einheit angeordnet. Nicht dargestellte Heizmittel sind auch an der Unterseite 114 vorgesehen. Die Verstärkungsmittel 116 weisen einen kreisrunden Verstärkungs-Ring 125 auf. Dieser besteht vorteilhaft nur aus einem einzigen Material, besonders vorteilhaft ohne große Formveränderung bei Erwärmung bzw. mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Insofern bietet sich hier die vorgenannte Legierung Invar 36 an. An den Verstärkungs-Ring 125 sind vier Verstärkungs-Stäbe 118 mit einem ihrer beiden freien Enden befestigt, insbesondere festgeschweißt. Dabei ist zu erkennen, dass die Verstärkungs-Stäbe 118 sozusagen in tangentialer Richtung bei Verlängerung an einem Punkt an der Außenseite des Verstärkungs-Rings 125 anliegen mit dem freien Ende und hier verschweißt sind. Sie stehen also in rechtem Winkel zu einem Radius des kreisrunden Verstärkungs-Rings 125 durch den Punkt der Befestigung.
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Sämtliche Verstärkungs-Stäbe 118 sind hier gleich lang ausgebildet. In der Praxis können dies beispielsweise 120 mm sein. Ein Durchmesser der Verstärkungs-Ringe 125 kann bei etwa 60 mm liegen. Eine Höhe der Verstärkungs-Stäbe 118 aus der Zeichenebene heraus kann bei 5 mm liegen und ihre Dicke bei etwa 2 mm liegen. Diese Dicke kann in etwa auch das Material des Verstärkungs-Rings 125 aufweisen.
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In der 5 ist in starker Vergrößerung ein Stück eines Verstärkungs-Stabs 118 dargestellt. Er ist, ähnlich wie die Verstärkungs-Stäbe aus den 1 bis 3, nach Art eines klassischen Bimetalls ausgebildet, allerdings ist hier die Schichtteilung nicht parallel zur Zeichenebene wie bei der vorher dargestellten Ausgestaltung, sondern senkrecht dazu. Rechts ist eine aktive Materialschicht 122 vorgesehen und links eine inaktive Materialschicht 123. Die Materialien können die gleichen sein wie zuvor genannt, jedenfalls weist die rechte aktive Materialschicht 122 einen größeren und vorteilhaft einen deutlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die linke inaktive Materialschicht 123 auf. Dadurch wölbt sich der Verstärkungs-Stab 118 mit seinem Mittelbereich nach rechts und den Enden nach links. Dies ist gut in der 6 zu ersehen. Da der Schichtaufbau bei allen vier Verstärkungs-Stäben 118 um den Verstärkungs-Ring 125 umlaufend gleich ist, verformen bzw. verbiegen sich die Verstärkungs-Stäbe 118 auch sämtlich gleich, nämlich mit den äußeren freien Enden nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn. Wenn man sich nun vorstellt, dass diese außenliegenden freien Enden fest wären bzw. nur in radialer Richtung relativ zu der Trägerscheibe 113 bewegbar sind, dreht sich der Verstärkungs-Ring 125. Anhand der Markierung oben am Verstärkungs-Ring 125 entsprechend der Stelle, wo bei 4 der von rechts kommende Verstärkungs-Stab 118 verbunden ist, ist mit dem Drehwinkel β zu erkennen, dass sich der Verstärkungs-Ring 125 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht hat, und zwar um etwa 5° bis 10°. Vor allem ist zu erkennen, wie sich durch diese Verdrehung und durch die Biegung der Verstärkungs-Stäbe 118 deren außenliegenden freien Enden von dem Außenrand 113' der Trägerscheibe 113 entfernt haben, und zwar nach innen. Ein Vergleich ist bei dem nach links weisenden Verstärkungs-Stab 118 möglich zur gestrichelt dargestellten Ausgangsposition, so dass das freie äußere Ende eine dargestellte Auslenkung von a aufweist. Diese Auslenkung a kann 15 mm bis 20 mm betragen.
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Aufgrund der sozusagen nach innen gewanderten freien Enden der Verstärkungs-Stäbe 118 ist zu erkennen, dass sich ein Verstärkungsmittel 116 nach Art einer genannten anti-chiralen Einheit bei Erwärmung insgesamt zusammenzieht bzw. verkleinert. Dies ist eigentlich ein Effekt, der dem üblichen Effekt bei Erwärmung eines Materials, nämlich einer Ausdehnung, zuwiderläuft bzw. sich deutlich davon unterscheidet. Diese Verkürzung kann, wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen, dazu genutzt werden, ein Zugelement aufzubauen, das an der Unterseite 114 der Trägerscheibe 113 angeordnet ist und bei Befestigung der freien Enden der Verstärkungs-Stäbe 118 mit dem Außenrand 113' einem Aufwölben entgegenwirken kann.
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Einerseits ist es möglich, ein Verstärkungsmittel 116 entsprechend 4 bis 6 an einer Trägerscheibe einer Heizeinrichtung vorzusehen. Vorteilhaft wird der Effekt bzw. die Zugkraft, um einer Aufwölbung entgegenzuwirken, verstärkt, indem mehrere solche Verstärkungsmittel sozusagen zusammengeschaltet werden. Dies ist in 7 und 8 dargestellt. Dort ist in 7 eine Heizeinrichtung 211 mit einer runden Trägerscheibe 213 dargestellt. An der Unterseite 214 der Trägerscheibe 213 sind zusammen mit nicht dargestellten Heizmitteln Verstärkungsmittel 216 angeordnet, die sozusagen vier anti-chirale Einheiten entsprechend 4 bis 6 aufweisen.
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Dabei weisen zwei benachbarte anti-chirale Einheiten sozusagen einen gemeinsamen Verstärkungs-Stab 218 auf. Somit gehen von jedem Verstärkungs-Ring 225 zwei Verstärkungs-Stäbe 218 nach außen weg und hin zum Außenrand 213' und sind dort befestigt. Die anderen beiden Verstärkungs-Stäbe 218 verbinden jeweils zwei Verstärkungs-Ringe miteinander. So sind die beiden oberen und die beiden unteren Verstärkungs-Ringe jeweils mit einem von links nach rechts verlaufenden Verstärkungs-Stab 218 verbunden, der sozusagen nach außen gewandt verläuft. Ebenso sind die beiden links angeordneten Verstärkungs-Ringe 225 und die beiden rechts angeordneten Verstärkungs-Ringe 225 mit jeweils einem von oben nach unten verlaufenden Verstärkungs-Stab 218 miteinander verbunden, der jeweils der sozusagen nach innen gewandt verläuft.
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Werden diese Verstärkungsmittel 216 entsprechend 7 nun erwärmt wie beim üblichen Betrieb der Heizeinrichtung 211, so üben sie mit den freien Enden der Verstärkungs-Stäbe 218 am Außenrand 213' jeweils eine nach innen zum Mittelbereich 214' hin gerichtete Kraft aus, die einer Aufwölbung der Trägerscheibe 213 möglichst weit, insbesondere vollständig, entgegenwirkt. Idealerweise bleibt dann die Trägerscheibe 213 im Betrieb vollständig plan. Die genaue Ausgestaltung der Verstärkungsmittel 216 und ihrer Kraftentwicklung kann berechnet bzw. experimentell genau bestimmt werden, um dieses Ziel zu erreichen.
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Ähnlich wie in 6 ist in 8 dargestellt, wie sich die Verstärkungsmittel 216 verhalten bzw. verändern, wenn sie nicht mit den freien Enden der Verstärkungs-Stäbe 218 mit dem Außenrand 213' verbunden sind. Sämtliche Stäbe 218 rund um einen jeweils gemeinsamen Verstärkungs-Ring 225 verbiegen sich gleichartig, nämlich links oben und rechts unten nach rechts herum im Uhrzeigersinn, und rechts oben und links unten nach links herum entgegen dem Uhrzeigersinn. Dadurch nähern sich die Verstärkungs-Ringe 225 jeweils einander an, beispielsweise mit ihren Mittelpunkten um etwa 5 % bis maximal 20 % ihres Abstands. Dadurch sowie durch die Verbiegung der nach außen reichenden Verstärkungs-Stäbe 218 selbst kommt eben die Verkleinerung der gesamten Struktur sowie das Zusammenziehen der freien Enden zustande, und das kann dann genutzt werden zur Verstärkung der Trägerscheibe 213 gegen Verziehen bzw. Aufwölben.
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In der 9 ist eine nochmals weitere alternative Ausgestaltung von Verstärkungsmitteln 316 dargestellt. Hier sind sechs Verstärkungs-Ringe 325 vorgesehen, wobei an jedem von ihnen nur drei Verstärkungs-Stäbe 318 befestigt sind. Während bei den 4 bis 8 die jeweils vier Verstärkungs-Stäbe um jeweils 90° verdreht an dem jeweiligen Verstärkungs-Ring befestigt sind, sind in 9 die drei Verstärkungs-Stäbe 318 um 120° versetzt am Verstärkungs-Ring 325 befestigt. Vorteilhaft weisen die sechs nach außen weisenden Verstärkungs-Stäbe 318 einen Winkel von jeweils etwa 60° zueinander auf. Diese Verstärkungs-Stäbe sind, ähnlich wie diejenigen der 7 und 8, gemäß 5 aus einer aktiven Materialschicht und einer inaktiven Materialschicht gebildet. Die inaktive Materialschicht liegt jeweils auf der Seite, die hin zu dem Verstärkungs-Ring 325 gewandt ist, an dem der Verstärkungs-Stab 318 befestigt ist. Die aktive Materialschicht liegt auf der von diesem Verstärkungs-Ring 325 weg weisenden Seite, wodurch eben eine Verbiegung sämtlicher Verstärkungs-Stäbe 318 hin zum jeweiligen Verstärkungs-Ring erreicht wird. So wird wiederum eine Verkleinerung und ein Zusammenziehen der gesamten Struktur erreicht, und das kann dann genutzt werden zur Verstärkung der Trägerscheibe gegen Verziehen bzw. Aufwölben.
