DE1801732A1

DE1801732A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE1801732A1
Application number: DE19681801732
Authority: DE
Inventors: Willoughby Joseph Anthony; Ashok Hingorany
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1967-10-25
Filing date: 1968-10-08
Publication date: 1969-05-29
Also published as: US3496336A; FR1587561A

Description

Heizvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung mit einer Isolierschicht, auf der ein Heizelement aus elektrisch leitendem Widerstandsmaterial befestigt ist, das sich bei Stromdurchfluß entsprechend erwärmt.
Es wurde bereits eine Heizvorrichtung bekannt, die eine flache Tafel aus Glaskeramik als Oberfläche hat, auf die nun die zu erhitzenden Gegenstände gestellt werden. Ein solches Glaskeramikmaterial wird unter dem Namen "Pyroceram" von der Firma Corning Glass Works, Corning, N.Y., U.S.A.,vertrieben. Es wurde nun vorgeschlagen, elektrische Heizstromkreise dicht unterhalb der Glaskeramikplatte anzubringen, um eine gute Wärmeübertragung auf das Glaskeramikmaterial zu erreichen und so die vom Heizstromkreis kommende Wärme zu lokalisieren. Hierdurch werden einzeln steuerbare Heizbereiche auf der glatten oberen Fläche des Glaskeramikmaterials geschaffen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung zu schaffen, deren Heizelement satt gegen eine Ubertragungsplatte anliegen kann. Diese Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß'das Heizelement als sehr dünne Schicht, vorzugsweise in Art einer gedruckten Schaltung, ausgebildet ist. Damit ist mit Hilfe einer billigen Konstruktion eine satte Berührung zwischen dem ganzen 3ereich der Heizelemente und dem Boden der Übertragungsplatte'möglich, so daß ein maximaler Wärmeübergang erzielt wird.Die sehr dünne Schicht des elektrischen Heizelementes wird entweder nur mit einer Isolierschicht versehen, oder es kann diese Isolierschicht von einer flachen Metalltafel gestützt sein. Wenn keine solche Metalltafel vorhanden ist, so kann die Isolierschicht von der Art sein, daß sie sich nach Anordnung unterhalb der Übertragungsplatte beim anfänglichen Heizen vom Heizelement trennt, wodurch in besonderem Maße die Heizausgangsleistung des Heizelements konstant gehalten wird.
Zusammengefaßt kann die Erfindung in einer bevorzugten Ausführflngsform wie folgt beschrieben werden: Ein inner, aus drei dünnen, miteinander verbundenen Schichten bestehender Mehrschichtkörper - Metallschicht, Isolationsschicht, Heizschicht aus elektrischem Widerstandsmaterial - oder ein dünner, aus zwei Schichten bestehender Mehrschichtkörper ohne die Metallschicht haben vorzugsweise in beiden Fallen eine Schicht aus Widerstandsmaterial, das so geätzt ist, daß einzelne Muster von Heizelementen oder Gruppen von Heizelementen entstehen. Im Falle von Gruppenheizelementen kann der Mehrschichtkörper ausgestanzt oder sonstwie geteilt werden, so daß dann Heizvorrichtungen mit einem oder mehreren Heizelementen entstehen.
Ferner kann gemäß der Erfindung ein Kasten vorgesehen sein, der eine obere Fläche aus laskeramik hat, auf die Gegenstände zum Wärmen aufgesetzt werden können. Eine oder mehrere der vorerwähnten Heizvorrichtungen werden dann so angebracht, daß das Heizelement in Berührung mit der Innenseite der Glaskeramikplatte ist. Es werden dann Verbindungen mit einer geeigneten elektrischen Schaltung hergestellt, um die Heizelemente anschließen zu können. Die Heizelemente werden dabei gegen die Glaskeramikplatte, insbesondere durch zusammengedrückte Glasfasern, gehalten. Bei einem dreischichtigen Mehrschichtkörper hat die Isolierschicht einen Bestandteil, der auch bei hohen Temperaturen nicht schmilzt oder verdampft, d.h. bei Temperaturen, die oberhalb der üblichen Heiztemperaturen liegen, bei denen das Heizelement betrieben werden soll. Im Fall eines zweischichtigen Mehrschichtkörpers ist die Isolierschicht aus einem Material gebildet, das bei normalen Heiztemperaturen schmelzen und verdampfen oder auch nicht schmelzen und nicht verdampfen kann. Wenn diese Schicht verdampft oder schmilzt, so wird sie von den Glasfasern so aufgenommen, daß die Heizelemente freiliegen.
Zwar ist die Erfindung im besonderen für Dischherde, Anrichten, Plattenheizvorrichtungen und dergleichen vorteilhaft, doch sind auch andere Anwendungen möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schaubildliche Teilansicht des Ausgangsmaterials, aus dem die Heizvorrichtung gemäß der Erfirdung hergestellt wird, Fig. 2 eine schaubildliche Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines solchen Ausgangsmaterials, Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform entweder nach Fig. 1 oder 2 zur Erläuterung eines Verfahrens, um die Ausgangsmaterialien der Fig. 1 oder 2 in Heizvorrictungen' umzuwandeln, Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht einer Heizvorrichtung, die aus dem Ausgangsmaterial gemäß Fig. 1 hergestellt ist, Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Heizvorrichtung, die aus dem ^iusgangsmåterial gemäß Fig.2 hergestellt ist, Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Heizaufsatz, bei dem eine Heizvorrichtung gemäß Fig. 4 eingebaut ist, Fig. 7 einen Querschnitt ähnlich Fig. 6 durch einen Heizaufsatz unter Verwendung einer Heizvorrichtung gemäß Fig. 5, Fig. 8 einen Teilschnitt der Fig. 7czur Erläuterung der Anordnung der Teile nach dem Schmelzen und/oder Verdampfen der IsolierschichtX Da bestimmte Teile der Ausführungsform in Wirklichkeit sehr dunn sind, ist zur Verdeutlichung in den Zeichnungen eine vergrößerte Darstellung gewählt. Außerdem sind die Teile nicht im gleichen Maßstab aufgezeichnet.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Trägerplatte aus Metall bezeichnet. Hierfür kann irgendein geeignetes Metall wie beispielsweise Stahl, Kupfer oder Aluminium verwendet werden. Das letztere wird bevorzugt, weil es bei normalen Verwendungen nicht korrodiert. Ein geeigneter Bereich der Stärke für die Schicht 1 ist zwischen 20 und 50ju, wobei ungefähr 25,ei bevorzugt sind, ein Wert, der jedoch keineswegs eine Begrenzung darstellen soll.
Mit 3 ist eine Isolierschicht aus Polymermaterial bezeichnet, die beispielsweise aus einem mit Teflon beschichteten Kapton bestehen kann. Ein geeigneter Bereich für die Stärke von Karton liegt zwischen 1 und 6 , wobei 2 P bevorzugt werden. Der Bereich für die Stärke der Teflonbeschichtung ist 1/2 P bis 1lu. Teflon ist ein Fluorkohlenstoff und Kapton ist ein Polyimid, die beide unter diesen Warennamen von der Firma E.I. duPont de Nemours Co.
vertrieben werden. Teflon ist ein gutes wärmehärtendes Verbundmittel, wenn es bei einer verhältnismäßig niedrigen Heiztemperatur, beispielsweise 2600 a oder mehr, unter Druck gesetzt wird. Das Xaptonmaterial schmilzt nicht und verkohlt auch bei äußerst hohem Temperaturen oberhalb von solchen nicht, die in Heizvorrichtungen erzeugt werden. Karton hat ferner auch eine hohe elektrische Festigkeit und Zugfestigkeit.
Mit 5 ist eine Heizschicht aus einem leitenden Widerstandsheizmaterial bezeichnet, beispielsweise Nichrom, Hoskins 750-Legierung oder Hoskins 875-Legierung. Ein entsprechender Bereich für die Stärke liegt zwischen 5/70 und 12zu, wobei 8/10 für den üblichen Herd bevorzugt werden. Die Schichten 1, 3, 5, die in Streifenform oder einer anderen geeigneten Form vorliegen können, werden bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Teflon zusammengedrückt, so daß sich ein guter Verbund zwischen den drei Schichten ergibt, die dann zusammen das Ausgangsmaterial, wie in Fig. 1 -angedeutet; bilden. Damit ist die Schicht 5 mit der Schicht 1 fest verbunden.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausgangsmaterial, bei dem auch die Heizschicht 5 vorhanden ist. Die Isolierschicht 3A entspricht der Isolierschicht 3 in Fig. 1, wobei jedoch in einigen Fällen das Material aus einem einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden thermoplastischen Material oder einem verdampfbaren Polymer, wie beispielsweise Surlyn, ist. Hier handelt es sich um ein Isonomer, das von der oben erwähnten duPont de Nemours Co. hergestellt wird. Die Schicht 3A dient zugleich als Trägerschicht. Der Bereich ihrer Stärke liegt vorzugsweise zwischen 1 und 6 .
In Fig. 3 ist im einzelnen dargestellt, wie ein Mehrschichtkörper entweder nach Fig. 1 oder Fig. 2 behandelt wird, um die Widerstandsheizschicht 5 in einzelne Heizelemente umzuwandeln.
In Fig. 3 sind all diese Heizelemente gleich dargestellt, doch können sie ohne weiteres auch verschieden sein Die Formen werden dadurch erzeugt, daß die bekannten Seidensiebdruck- oder photographische Druckverfahren zum Erzeugen einer Xtzwiderstandsschicht verwendet werden. Dabei werden ätzwiderstandsfähige Formen auf die Heizschicht 5 aufgebracht und dann in bekannter Weise eine Ätzung durchgeführt. Hierdurch wird der ganze Teil der Heizschicht 5 außerhalb des Ätzwiderstandsmusters entfernt, so daß die Heizelemente in irgendeiner erwunschten Form übrig bleiben, wie sie durch 7 in Fig. 3 bezeichnet sind. Dann kann, wie durch die gestrichelten Linien 9 dargestellt, der Mehrschichtkörper entsprechend zerschnitten werden, so daß Heizvorrichtungen 11,wie in Fig. 4 dargestellt, aus einem Mehrschichtkörper gemaß Fig. 1 hergestellt werden. Gegebenenfalls kann auch eine Heizvorrichtung 13, wie in Fig. 5 dargestellt, aus dem Mehrschichtkörper gemäß Fig. 2 gebildet werden. In beiden Fällen sind flache leitende Anschlußlappen 8 an den Enden der Heizelemente 7, wie bei 10 angedeutet, angeschweißt. Diese sind auf die richtige Länge zum Anschluß an eine Energiequelle zugeschnitten.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß nicht notwendigerSeise alle einzelnen Heizvorrichtungen gemäß Fig. ,3 ausgestanzt werden müssen, sondern daß mehrere in einem gemeinsamen Heizkörper vorhanden sein können.
In Fig. 6 ist gezeTgt; wie die Heizvorrichtung gemäß Fig. 4 eingebaut werden kann. Mit 15 ist ein Trog bezeichnet, der ein ischoberteil bildet und oben einen Innenflansch 17 hat. Der Tr@g enthält eine nicht dargestellte Steuerschaltungs um so Verbindungen mit den Anschlußlappen 8 herzustellen. Bei 19 ist ein abnehmbarer Boden gezeigt. Der Trog 15 wird, wenn er leer und, der Boden 19 entfernt ist, umgedreht (die Flanschen liegen dann unten). nunmehr wird eine Heizplatte 21 von entsprechender Stärke aus Glaskeramik so eingelegt, d'aß sie flach gegen den Innenflansch 17 anliegt. Als nächstes werden geeignete Anschlüsse der Steuerschaltung in entsprechender Weise an eine Heizvorrichtung 11 angeschlossen, die in dem Trog angeordnet werden soll.'Nunmehr werden die angeschlossenen Heizvorrichtungen, wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt sind, in die richtige Lage auf der Heizplatte 21 gebracht, wobei die Heizelemente 7 gegen die Heizplatte anliegen. Anschließend wird ein Isolationsmaterial, beispielsweise Glasfasern 23 oder dergleichen, in den Trog 15 unter Druck eingebracht und der Boden 19 durch Schrauben 25 befestigt. Der ganze Tischaufsatz kann dann zum Einbau umgedreht werden. Irgendwelche Xochgeräte, die nun beheizt werden sollen, werden auf die Oberfläche der Heizplatte 21 aufgesetzt. Der auf die Heizplatte 21 durch den Boden 19 ausgeübte Druck hält die Heizvorrichtung 11 in ihrer Lage gegen diese Platte, In Fig. 7 sind Teile entsprechend der Fig. 6 mit gleichen Bezeichnungen versehen.Zum Unterschied liegt hier eine Heizvorrichtung 13, beispielsweise gemäß Fig. 5, gegen die Heizplatte 24 an.
Durch Aufheizen des Heizelementes 7 auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Isolierschicht 3 aus Surlyn schmilzt diese Lage und/oder verdamprt und wird nun von den Glasfasern 23 absorbiert. Während dieser Absorption drücken sich die zusammengepreßten Glasfasern 23 selbst in eine richtige Lage um das Heizelement 7 herum, wie dies in Fig. 8 angedeutet ist. Hierdurch kommt das Widerstandsmaterial von irgendeiner Entkalibrierungswirkung frei, die eine anhängende Surlynschicht ausüben könnte.
In einigen Fällen kann eir nichtschmelzendes und nichtverdampfendes Material als Isolierschicht 3 in einer Anordnung gemäß Fig. 7 oder in einer Vierschichtanordnung verwendet werden, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei noch eine Polymeroberschicht auf die oberen Flächen der Schichten 3 und 7 aufgebracht ist. Die Vierschichtiorm wird bevorzugt zur Verwendung als Wandheizplatten, ferner bei Instrumentenheizplatten und dergleichen bentst, bei denen anders als bei der Heizplatte 21 eine Isolation zwischen ihr und dem leitenden Heizelement 7 vorhanden sein muß.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der obigen Darstellung. Bei beiden Ausfuhrungsformen ist eine satte' Anlage der gesamten dünnen Heizelemente 7 an der wärmeaufnehmenden Unterfläche der Heizplatte 21 vorhanden. Zwar zeigen die in übertriebener Größe dargestellten Querschnitte dies nicht deutlich, doch folgt dies ohne weiteres aus den Stärkebereichen, wie sie oben erwähnt sind.
Bei beiden Formen der Erfindung sind die dünnen Heizelemente 7 (vor dem Zusammenbau gemäß Fig. 6 - 8) ursprünglich von mindestens einer ununterbrochenen Trägerplatte 3A (Fig. 2) oder der Zweischichtplatte 3, 1 (Fig. 1) getragen oder mit diesen verbunden.
Damit wird also die beinahe unmögliche Aufgabe, die flache Gestalt von derartigen Heizelementen aufrechtzuerhalten, dadurch gelöst, daß diese von irgendeiner Platte getragen werden, bevor sie gegen die Heizplatte 21 angelegt werden.
Der Vorteil der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 4 besteht darin, daß die aus Metall bestehende Drägerplatte 1 einen Bruch des Heizelementes 7 an irgendeiner dünnen Stelle verhindert, die durch Herstellungstoleranzen verursacht sein könnte.

Claims

atentansprüche

1. Heizvorrichtung mit einer Isolierschicht, auf der ein Heizelement aus elektrisch leitendem Widerstandsmaterial befestigt ist, das sich bei Stromdurchfluss entsprechend erwärmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (7) als sehr dünne Schicht, vorzugsweise in Art einer gedruckten Schaltung,ausgebildet ist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3A) ein thermoplastisches und/oder verdampfbares Material, insbesondere ein Polymer, ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3A) ein polymerisches Isonomer ist.

4. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht eine Stärke ungefähr im Bereich zwischen 1 bis 6yc hat.

5. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (7) eine Stärke ungefähr im Bereich zwischen 1/2 bis 12< hat.

6. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entgegengesetzt zum Heizelement (7) mit der Isolierschicht (3) eine aus metall bestehende Grundschicht (1) verbunden ist.

7. Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3) aus einer einen hohen Schmelz punkt aufweisenden Polymerschicht besteht, die mit einem einen niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Polymer für den Verbund beschichtet ist.

8. Heizvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht eine Stärke ungefähr im Bereich zwischen 20 und 50Xb hat.

9. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht und/oder das Heizelement und/oder die Grundschicht flexibel wird.

10. Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine verhältnismäßig dicke Heizplatte (21), insbesondere aus Glaskeramik, vorgesehen ist, gegen die das Heizelement (7) angepreßt ist.

11. Heizvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckvorrichtung (15, 19, 23) vorgesehen ist, die das Heizelement (7) gegen die Heizplatte (21) drückt.

12. Heizvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung (15, 19, 23) ein elastisch zusammenpreßbares Isoliermaterial (23) aufweist, das in einem Gehäuse (15, 19) unter Druck angeordnet ist.

13. Heizvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15, 19) eine durch die Heizplatte (21) gebildete Oberfläche hat, gegen die das Heizelement (i) durch das Isoliermaterial (23) angepreßt ist.

14. Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Isolierschicht eine Heizschicht aufgebracht wird, auf die ein Muster aus ätzwiderstandsfähigem Material ent--sprechend dem mindestens einen gewünschten Heizelement aufgedruckt wird, worauf das Material der Heizschicht bis auf die Isolierschicht herunter mit Ausnahme der bedruckten Stellen abgeätzt wird.

15. Verfahren zum Herstellen einer Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer schmelzbaren und/oder verdampfbaren Isolierschicht diese bis auf Schmels- und/oder Verdampfungstemperatur erwärmt und so diese Schicht zum Schmelzen und/ oder Verdampfen gebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene und/oder verdampfte Material in einer Aufnahmemasse, beispielsweise dem elastisch zueammenrreßbaren Isoliermaterial, niedergeschlagen wird.

L e e r s e i t e