DE10320659A1

DE10320659A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE10320659A1
Application number: DE2003120659
Authority: DE
Inventors: Klemens Roch; Bernhard Dr. Walter
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: DE10320659B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung, insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts, mit einem im Luftstrom eines Gebläses zur Erwärmung der von diesem geförderten Luft angeordneten elektrischen Heizelement, das ein elektrisch beheizbares, wärmeleitendes und gasdurchlässiges Keramikmaterial aufweist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass das Heizelement (22) zumindest in Teilsegmenten ringförmig um einen radialen Auslass (17) des Gebläses (16) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Umluftbeheizung von Gargeräten werden üblicherweise Rohrheizkörper eingesetzt, die in wenigstens einer Windung radial um ein Umwälzgebläse angeordnet sind und sich damit in dessen Luftstrom befinden. Mit solchen Rohrheizkörpern lassen sich typischerweise nur ca. 25 % eines Luftspalts abdecken. Dies reduziert zum einen die Effektivität der Heizung, da der größte Anteil der geförderten Luft ohne wirksame Wärmeübertragung am Rohrheizkörper vorbeiströmt. Zudem kann der Heizkörper Turbulenzen verursachen und ist daher aus strömungstechnischen Gründen relativ ungünstig. Die resultierende Trägheit aufgrund des mangelhaften Wärmeübergangs führt zu relativ langen Aufheizzeiten bei umluftbetriebenen Gargeräten.
Aus den genannten Gründen ist eine größere wirksame Oberfläche eines Heizkörpers wünschenswert, der eine schnellere Wärmeübertragung an die geförderte Luft ermöglicht. Eine elektrische Heizung mit einer Keramikschaumstruktur zur Aufheizung von Gas, das durch die Heizung hindurch strömt, ist aus der US 57 64 850 bekannt. Die Keramikschaumstruktur besteht im Wesentlichen aus Siliziumkarbid, das mit Elektroden aus Nickelschaum versehen ist, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Hierdurch wird die Siliziumkarbidstruktur beheizt und kann ihre Wärme wiederum an das Gas bzw. an die Luft abgeben, das durch die Keramikstruktur geleitet wird.
Ein elektrisches Heizelement, das aus halbleitender Keramik besteht, ist aus der DE 100 04 177 A1 bekannt. Das halbleitende Keramikmaterial ist porös bzw. aufgeschäumt und weist nach außen hin offene Poren auf. Durch die Porosität des Heizelementes wird eine erhöhte Abstrahlfläche für die bei einem Stromdurchfluss entstehende Wärme erreicht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompakte Heizvorrichtung zur Aufheizung von Luft zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine effektive Wärmeübertragung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung eignet sich insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts und weist ein elektrisches Heizelement auf, das im Luftstrom eines Gebläses angeordnet ist und zur Erwärmung der vom Gebläse geförderten Luft dient. Das Heizelement weist ein elektrisch beheizbares gasdurchlässiges Keramikmaterial auf. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Heizelement zumindest in Teilsegmenten ringförmig um einen radialen Auslassbereich des Gebläses angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung des Heizelements ermöglicht eine große wirksame Wärmeübertragungsfläche, wodurch der vom Gebläse geförderte Luftstrom sehr schnell erwärmt werden kann. Gleichzeitig kann die Heizvorrichtung sehr kompakt ausgeführt sein, da sie das notwendige Einbauvolumen eines Radialgebläses nur unwesentlich vergrößert.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement in einem geschlossenen Ring um das Gebläse angeordnet ist. Auf diese Weise muss der gesamte radial aus dem Gebläse austretende Luftstrom durch das Heizelement passieren, was zu einer schnellen und effektiven Erwärmung der vom Gebläse geförderten Luft führt. Das resultierende Bauvolumen des Heizelements kann mit der ringförmigen Anordnung minimiert werden.
Eine alternative Ausgestaltung kann vorsehen, dass ein quaderförmiges Heizelement eine zylindrischen Durchbruch zur Aufnahme des Gebläses aufweist. Auch hierbei ergeben sich die genannten Vorteile eines schnellen und guten Wärmeübergangs zwischen Heizelement und Luft. Prinzipiell jedoch kann das Heizelement auch jede andere denkbare Gestalt aufweisen, die sich insbesondere aus den bestehenden Einbauverhältnissen für das Gebläse ergibt.
Das Heizelement und das Gebläse sind vorzugsweise an einer Prallwand einer Ofenmuffel des Gargeräts angeordnet. Das Gebläse mit dem Heizelement kann insbesondere zwischen der Rückwand und einem Luftleitblech angeordnet sein, die an einer rückseitigen Wand der Ofenmuffel platziert sind.
Vorzugsweise weist das Keramikmaterial eine offenporige Struktur und einen definierten Strömungswiderstand auf. Eine offenzellige Schaumstruktur mit einer Porosität zwischen vorzugsweise 70 bis 95 % zeichnet sich durch hohe innere Oberflächen, verbunden mit sehr guter Durchströmbarkeit aus. Weiterhin werden die Luftströmungen vergleichmäßigt und erhalten turbulenten Anteile, was für eine Wärmeübertragung vom Heizelement an die Luft günstig ist. Das Heizelement kann vorzugsweise eine im Wesentlichen radial verlaufenden Kanalstruktur aufweisen. Jedoch sind auch andere Kanalstrukturen, insbesondere unregelmäßige und/oder ungerichtet verlaufende Kanalstrukturen, günstig für eine Wärmeübergang vom Heizelement an die Luft. Allerdings steigen mit zunehmender Ungerichtetheit der Kanalstrukturen die erforderlichen Antriebsleistungen für das Gebläse. Gegenüber einer herkömmlichen Rohrheizung benötigt das Gebläse mit radial um dieses angeordnetem Heizelement in Keramikschaumstruktur typischerweise eine erhöhte Antriebsleistung, da die Keramikstruktur der geförderten Luft einen erhöhten Strömungswiderstand bietet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, das eine zuschaltbare Bypassleitung für einen Umluftbetrieb mit umgeheizter Luft vorgesehen ist. Hierdurch kann die Keramikstruktur umgangen und der Strömungswiderstand herabgesetzt werden, wenn kein Heizbetrieb gewünscht ist.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement im Wesentlichen aus einem mit elektrischer Heizspannung beaufschlagbaren Halbleiterkeramikmaterial besteht. Hierfür eignet sich insbesondere Silizium oder Siliziumkarbid. Das Silizium bzw. das Siliziumkarbid wird mittels Schäum- oder Sintertechnik in eine poröse Schaumstruktur gebracht. Silizium und Siliziumkarbid zeichnen sich durch eine sehr Wärmeleitfähigkeit aus, die höher ist als die von Stahl. Gleichzeitig weist das Material eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit auf und eignet sich daher sehr gut für den gewünschten Einsatzzweck. Durch Wahl einer geeigneten Dichte und/oder eine geeignete Dotierung kann das Heizelement einen gewünschten Widerstandswert erhalten, so dass an direkt im Heizelement eingebrachte Elektroden die Betriebsspannung angelegt und dadurch das Heizelement auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Eine alternative Variante der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement im Wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden, mittels wenigstens eines eingebrachten Heizdrahtes aufheizbaren, wärmeleitenden Keramikmaterial besteht. Als solches Material eignet sich insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid. Alle diese Materialien weisen einen hohen elektrischen Widerstand auf und wirken dadurch als Isolator. Gleichzeitig weisen sie jedoch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass eine gute Wärmeübertragung vom Heizdraht auf das Keramikmaterial und von diesem an die durchströmende Luft gewährleistet ist. Der Heizdraht kann insbesondere spiralförmig gewickelt und im Keramikmaterial des Heizelements eingebettet sein, wobei die beiden Enden als Anschlusselektroden herausgeführt sind. Die spiralförmige Gestalt des Heizdrahtes sorgt für die gewünschte gute Wärmeübertragung an das Keramikmaterial des Heizelements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Draufsicht auf einen rückwärtigen Teil einer Ofenmuffel eines Gargeräts mit dort angebrachtem Umwälzgebläse,
2 eine erste Variante einer Heizvorrichtung in schematischer Darstellung,
3 eine weitere Variante der Heizvorrichtung in schematischer Darstellung und
4 eine Teilschnittansicht einer Keramikstruktur mit darin eingebettetem Heizdraht.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen rückwärtigen Teil einer Ofenmuffel 10 eines Gargeräts. Hinter einem Luftleitblech 12 an der rückseitigen Rückwand 14 der Ofenmuffel 10 ist ein Gebläse 16 zur Umwälzung von Luft in einem Umluftbetrieb des Gargeräts angeordnet. Das Gebläse 16 ist als Radialgebläse ausgebildet und fördert Ansaugluft 18 durch Öffnungen 20 im Luftleitblech 12 in axialer Richtung zum Gebläse 16 und drückt diese in radialer Richtung durch einen radialen Auslassbereich 17 in Kanäle zwischen Luftleitblech 12 und Rückwand 14, die in das Innere der Ofenmuffel 10 münden. Um den radialen Gebläseauslass 17 ist ein elektrisches Heizelement 22 angeordnet, das für eine Erwärmung der geförderten Luft sorgen kann. Bei mit Spannung beaufschlagtem Heizelement 22 sorgt dieses für die gewünschte Temperierung der in die Ofenmuffel 10 geförderten Heißluft 24.
Das Heizelement 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als geschlossenen Ring um den radialen Auslassbereich 17 des Gebläses 16 angeordnet. Das Heizelement 22 besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch beheizbaren, gasdurchlässigen Keramikmaterial, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und entweder als elektrischer Leiter wirkt oder mit einem eingebetteten Heizdraht versehen ist, der für eine Aufheizung des elektrisch isolierenden Keramikmaterials sorgt.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen axialen Einlass 26 des Gebläses 16. Die gezeigte Variante verdeutlicht das ringförmige Heizelement 22, das als geschlossener Ring um den radialen Auslassbereich 17 des Gebläses 16 angeordnet ist. Die vom Gebläses 16 geförderte Luft durchströmt das Heizelement 22 allseitig und tritt radial als Heißluft 24 nach außen. Je nach gewünschter Ausführungsform können die Seitenwände des Heizelements 22 offen oder geschlossen sein. Eine offene Ausführung kann entsprechend 1 gestaltet sein. Es muss hierbei lediglich sichergestellt werden, dass die austretende Heißluft 24 vollständig kanalisiert und in die Ofenmuffel 10 gefördert wird.
3 zeigt eine alternative Variante, bei der das Heizelement 22 eine quaderförmige Gestalt mit einem mittig angeordneten zylindrischen Durchbruch 28 aufweist. Der Durchbruch 28 ist so bemessen, dass das Gebläse 16 spielfrei darin eingesetzt werden kann. Ringförmig um die radiale Seite des Gebläses 16 und beabstandet zu dieser ist ein Heizdraht 30 angeordnet und im Keramikmaterial des Heizelements 22 eingebettet, der aus dem Heizelement 22 herausgeführte Anschlusselektroden 32 zur Beaufschlagung mit einer Heizspannung aufweist. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs und zur Herstellung einer definierten Länge mit daraus resultierendem elektrischen Widerstand ist der Heizdraht 30 spiralig gewickelt.
Die Einbettung des Heizdrahts 30 in der porösen Keramikstruktur 34 wird anhand der 4 verdeutlicht. Im fertig vergossenen Zustand ist der Heizdraht 30 bis auf die herausgeführten Anschlusselektroden 32 vollständig von der Keramik umschlossen und in der Keramikstruktur 34 des Heizelements 22 eingebettet.
Bei der in 3 dargestellten Variante mit dem eingebetteten Heizdraht 30 kommt als Keramikmaterial jedes elektrisch isolierende und gut wärmeleitende Keramikmaterial in Frage. Beispiele hierfür sind Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumoxid (SiO₂).
Als Material für die in 2 gezeigte Variante eignet sich insbesondere Silizium oder Siliziumkarbid, die jeweils eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit sowie elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Das Material bei beiden Varianten ist vorzugsweise in eine Schaumstruktur mit einer Porosität zwischen 70 und 95 % gebracht. Wichtig für einen möglichst geringen Strömungswiderstand ist eine offene Porenstruktur des Keramikmaterials. Die Gebläseleistung wird gegenüber einer herkömmlichen Umluftheizung mit Rohrheizkörper zweckmäßigerweise denn leicht erhöht, da die Keramikschaumstruktur dem Luftstrom einen erhöhten Widerstand entgegensetzt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit eine Bypassleitung für einen Umluftbetrieb mit ungeheizter Luft vorzusehen. Hierzu kann z. B. eine zuschaltbare Umlenkplatte 23, wie in 1 gezeigt, vorgesehen sein, die zwischen dem radialen Auslassbereich 17 des Gebläses 16 und dem Heizelement 22 eingeschoben werden kann, um den Luftstrom an dem Heizelement vorbei in den Garraum zu leiten.

10: Ofenmuffel
12: Luftleitblech
14: Rückwand
16: Gebläse
17: Auslassbereich
18: Ansaugluft
20: Öffnung
22: Heizelement
23: Umleiteplatte
24: Heißluft
26: Einlass
28: Durchbruch
30: Heizdraht
32: Anschlusselektroden
34: Keramikstruktur

Claims

Heizvorrichtung, insbesondere für eine Umluftheizung eines Gargeräts, mit einem, im Luftstrom eines Gebläses zur Erwärmung der von diesem geförderten Luft angeordneten elektrischen Heizelement, das ein elektrisch beheizbares, wärmeleitendes und gasdurchlässiges Keramikmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) zumindest in Teilsegmenten ringförmig um einen radialen Auslassbereich (17) des Gebläses (16) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) in einem weitgehend geschlossenen Ring um das Gebläse (16) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) die Form eines Quaders mit einem zylindrischen Durchbruch (28) zur Aufnahme des Gebläses (16) aufweist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) und das Gebläse (16) an einer Rückwand (14) einer Ofenmuffel (10) des Gargeräts angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial des Heizelements (22) eine offenporige Struktur mit einem definierten Strömungswiderstand aufweist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) eine im Wesentlichen radial verlaufende Kanalstruktur aufweist.
Heizvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zuschaltbare Bypassleitung (23) für einen Umluftbetrieb mit ungeheizter Luft vorgesehen ist.
Heizvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) im Wesentlichen aus einem, mit elektrischer Heizspannung beaufschlagbaren Halbleiter-Keramikmaterial, insbesondere aus Silizium (Si) oder aus Siliziumkarbid (SiC) besteht.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) im Wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden, mittels wenigstens eines eingebrachten Heizdrahtes (30) aufheizbaren, wärmeleitenden Keramikmaterial besteht.
Heizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (22) im Wesentlichen aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), aus Aluminiumnitrid (AIN), aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht.
Heizvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Heizdraht (30) spiralförmig gewickelt und im Keramikmaterial des Heizelements (22) eingebettet ist.