DE20115376U1

DE20115376U1 - Heizeinsatz mit Temperaturregler

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Publication number: DE20115376U1
Application number: DE20115376U
Authority: DE
Original assignee: Fritz Eichenauer GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2011-09-19

Description

porta Patentanwälte

Dipl.Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Waldemar Leitner Dr. phi/, not. Rudolf Bauer-1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent Attorneys

EA01E003DEU/MS01 S065/TW-Dr.Mm/ms/17.09.2001 Fritz Eichenauer GmbH & Co. KG, Georg-Todt-Straße 1-3, D-76870 Kandel

Heizeinsatz mit Temperaturregler Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Heizeinsatz für ein elektrisch beheizbares Kochgefäß mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Heizeinsätze sind von im Handel erhältlichen Wasserkochern bekannt.

Der Temperaturbegrenzer eines solchen Heizeinsatzes dient dazu, den Heizstrom zu unterbrechen, sobald die Flüssigkeit im Inneren des Kochgefäßes siedet, so daß ein unnötiger Energieverbrauch vermieden wird. Eine weitere und noch wichtigere Funktion des Temperaturbegrenzers ist, den Heizstrom im Falle eines leeren oder fast leeren Kochgefäßes zu unterbrechen, damit eine Beschädigung des Kochgefäßes oder des Heizelementes und eine gefährliche Überhitzung verhindert wird. Ein Temperaturbegrenzer muß daher zuverlässig den Heizstrom bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur unterbrechen. Bekannt ist es zu diesem Zweck Temperaturbegrenzer mit einer oder mehreren Bimetallschnappscheiben einzusetzen. Bimetallschnappscheiben sprechen sehr zuverlässig bei ihrer vorgegebenen Schalttemperatur an, haben jedoch den Nachteil, nur bei einem vorgegebenen absoluten Temperaturwert anzusprechen.

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Mit einer Bimetallschnappscheibe ist es somit nicht möglich, auf einen sehr raschen Temperaturanstieg, wie er sich beispielsweise bei einem leeren Kochgefäß ergibt, frühzeitig zu reagieren, bevor der vorgegebene kritische Temperaturwert erreicht ist, so daß ein Überschreiten der vorgegebenen Schalttemperatur nicht ausgeschlossen werden kann. Diesem Nachteil kann man begegnen, indem, wie in der WO 96/25869 beschrieben, zur Temperaturbegrenzung und -regelung ein Mikroprozessor eingesetzt wird, welcher von einem am Gefäßboden angebrachten Temperaturfühler gemessene Temperaturwerte auswertet und dabei nicht nur den absoluten Temperaturwert, sondern auch dessen Anstiegsgeschwindigkeit berücksichtigt. Nachteilig an dieser Lösung, ist der für die notwendige Sicherheit erforderliche, verhältnismäßig hohe Aufwand und die damit verbundenen Kosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Heizeinsatz für ein elektrisch beheizbares Kochgefäß zur Verfügung zu stellen, welcher zuverlässig eine Überhitzung des Kochgefäßes verhindert und kostengünstig zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird von einem Heizeinsatz mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Temperaturbegrenzer ein an der Unterseite des Gefäßbodens angebrachter integrierter Schaltkreis IC ist, in welchen ein Temperaturfühler integriert ist. Dieser IC, welcher bevorzugt als ASIC ausgeführt ist, mißt die Temperatur und wertet die Temperaturmeßergebnisse aus. Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes liegt darin, daß der IC selbst nicht nur zur Auswertung, sondern auch zur Temperaturmessung vorgesehen ist. Vorteilhaft erübrigen sich auf diese Art und Weise ein zusätzlicher Temperaturfühler sowie elektrische Verbindungen zwischen einem Temperaturfühler und einer Auswerteeinrichtung, so daß sich der apparative Aufwand vermindert. Vorteilhaft bewirkt dies nicht nur niedrigere Herstellungskosten, sondern hat auch eine höhere Sicherheit zur Folge, da ein solcher einfacherer Aufbau weniger Stör- und Fehlerquellen beinhaltet. Der IC ist zur Temperaturmessung an

der Unterseite des Gefäßbodens des Heizeinsatzes angebracht, wodurch sich vorteilhaft ein kompakter Heizeinsatz ergibt.

Ein solcher IC erlaubt es im Gegensatz zu einem Schalter mit Bimetallschnappscheiben vorteilhaft bei der Temperaturbegrenzung und -regelung nicht nur absolute Temperaturmeßwerte, sondern auch die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges zu berücksichtigen, so daß sich ein gefährlicher Temperaturanstieg im Falle eines leeren Kochgefäßes schon frühzeitig erkennen und der Heizstrom unterbrechen läßt. Zuverlässig wird so eine Überhitzung verhindert.

Der IC mißt die Temperatur bevorzugt über die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines Transistors oder über die Differenz der Basis-Emitterspannungen von zwei bei verschiedenen Stromdichten betriebenen Bipolartransistoren.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der IC in SOI (Silicon on Insulator) Technologie ausgeführt ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der IC eine erhöhte Temperaturbeständigkeit und einen größeren Temperaturmeßbereich erlaubt. Vorteilhaft wird so die Betriebssicherheit weiter erhöht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der IC ein Leistungshalbleiter ist, mittels welchem der Heizstrom abschaltbar ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß IC über dieselbe Quelle wie der Heizkörper mit Strom und Spannung versorgt und mit diesem in Reihe geschaltet werden kann, so daß insbesondere der IC den durch ihn und den Heizkörper fließenden Heizstrom unmittelbar abschalten kann. Selbstverständlich läßt sich der Heizstrom auch über ein vom IC betätigbares Relais abschalten und der IC beispielsweise über eine Spannungsteiler-Schaltung an die Strom- und Spannungsquelle des Heizkörper anschließen, so daß nicht unbedingt ein Leistungshalbleiter erforderlich ist. Wird ein Relais verwendet, so ist dies bevorzugt ebenfalls an der Unterseite des Gefäßbodens angeordnet und kann bei Bedarf mittels einer

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Zwischenschicht oder anderen Maßnahmen vor einem zu hohen Wärmeeintrag geschützt werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Heizeinsatz ist einerseits darauf zu achten, daß der IC auf eine Art und Weise am Gefäßboden angebracht ist, welche einerseits ein rechtzeitiges Erkennen eines gefährlichen Temperaturanstieges erlaubt, andererseits ein Überhitzen und eine damit verbundene Beschädigung des ICs im Betrieb verhindert. Nachfolgend werden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben, welche dazu beitragen die Temperaturen, welchen der IC beim Betrieb des Kochgefäßes ausgesetzt ist, zu vermindern. Naturgemäß reduzieren die nachstehend beschriebenen Maßnahmen die thermische Ankopplung des ICs an den Heizkörper. Um trotzdem eine möglichst frühzeitige Erkennung eines gefährlichen Temperaturanstieges zu gewährleisten, ist auf eine entsprechend höhere Sensitivität des im IC integrierten Temperaturfühlers zu achten und insbesondere die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur auszuwerten.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Gefäßboden aus Edelstahl ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß Edelstahl Wärme nur relativ schlecht leitet. Vorteilhaft sinken so die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des IC. Selbst bei einem mehrere Hundert Grad heißen Heizkörper ist nämlich der an der Unterseite des Gefäßbodens angebrachte IC wegen der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl nur einem verhältnismäßig geringen Wärmeeintrag ausgesetzt. Vorteilhaft ist ein Kochgefäß mit einem Gefäßboden aus Edelstahl auch leicht zu reinigen, Edelstahl ist gesundheitlich unbedenklich und von guter mechanischer Stabilität.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß sich zwisehen dem IC und dem Gefäßboden eine Zwischenschicht erstreckt. Eine solche Zwischenschicht eignet sich zum Befestigen des IC auf dem Gefäßboden und bietet darüberhinaus den Vorteil, den IC durch den ihr innewohnenden Wärmewiderstand vor einer Beschädigung durch Überhitzung zu schützen, so daß sich die

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Anforderungen an dessen Temperaturbeständigkeit weiter vermindern. Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Zwischenschichten aus verschiedenen Materialien vorsehen. Eine Zwischenschicht kann beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere Klebstoff, bestehen, was zugleich eine einfache Befestigung gewährleistet. Eine Zwischenschicht aus Keramik bietet den Vorteil eines hohen Wärmewiderstandes und somit einen erhöhten Schutz vor einer Beschädigung des IC durch Überhitzung. Eine Zwischenschicht aus Metall erleichtert eine definierte Wärmeankopplung des IC an den Gefäßboden und bietet somit den Vorteil, die Kalibrierung des Temperaturreglers zu vereinfachen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß an der Unterseite des Gefäßbodens ein Blech, dessen Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl aufweist, angebracht ist. Ein solches Blech, welches beispielsweise aus einer Aluminium- oder Kupferlegierung sein kann, erleichtert die Befestigung des Heizkörpers am Gefäßboden und dient zugleich dazu, den Gefäßboden gegen mechanische Verformung zu stabilisieren. Vorteilhaft läßt sich so die Dicke des Edelstahlbodens reduzieren, wodurch die Trägheit des Heizeinsatzes verringert und die thermische Ankopplung des Heizkörpers an den Inhalt des Kochgefäßes verbessert wird. Eine bessere thermische Ankopplung des Heizkörpers an den Inhalt des Kochgefäßes verringert vorteilhaft nicht nur die Trägheit des Heizeinsatzes, sondern erlaubt auch, die für ein rasches Aufheizen des Inhalts des Kochgefäßes nötige Betriebstemperatur des Heizkörpers zu senken, so daß sich entsprechend auch die Maximaltemperatur, welcher der IC im Betrieb ausgesetzt ist, vermindert und die Betriebssicherheit und Lebensdauer des Heizeinsatzes erhöht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht hierzu vor, daß der IC auf dem Blech angebracht ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Fertigung vereinfacht ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Blech dünner als 1,2 mm, bevorzugt dünner als 1,0 mm, insbesondere dünner als 0,8 mm, ist. Bei einem dünneren Blech reduzieren sich nicht nur die

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Materialkosten des Heizeinsatzes, sondern es wird auch die thermische Trägheit des Heizeinsatzes reduziert. Insbesondere reduziert sich auch der Wärmewiderstand zwischen dem Heizkörper und dem Inhalt des Kochgefäßes, so daß eine bessere thermische Ankopplung des Heizkörpers an den Inhalt des Kochgefäßes erreicht wird. Je dünner das Blech ist, desto geringer ist auch die radiale Wärmediffusion vom Heizkörper zum IC, so daß sich dessen Betriebstemperatur und damit verbunden die Anforderungen an dessen Temperaturbeständigkeit verringern.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, welche insbesondere bei dickeren Blechen von 1,5 mm und mehr besonders vorteilhaft ist, sieht hierzu vor, daß das Blech den Heizkörper allenfalls auf einer Länge berührt, welche klein gegen den Gesamtumfang des Blechs ist. Vorteilhaft wird so die Wärmediffusion vom Heizkörper zum IC reduziert und damit sinken auch die Anforderungen an dessen Temperaturbeständigkeit. Naturgemäß ist dies bei dickeren Blechen mit entsprechend höherer Wärmeleitfähigkeit besonders günstig. Bevorzugt ist das Blech vom Heizkörper beabstandet angeordnet, so daß der IC vorteilhaft vor den hohen Temperaturen des Heizkörpers geschützt ist. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Blech Schlitze zum Mindern einer Wärmediffusion vom Heizkörper zum IC aufweist. Vorteilhaft wird so der direkte Einfluß des Heizkörpers auf den IC weiter reduziert, so daß sich die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des IC reduzieren.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der IC im Bereich der Anschlüsse des Heizkörpers angeordnet ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich die Länge der Zuleitungen zum Versorgen des ICs mit Strom und Spannung verkürzen. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme ist, daß in diesem Bereich, insbesondere bei Verwendung eines Rohrheizkörpers, die Temperaturen, welchen der IC beim Betrieb des Kochgefäßes ausgesetzt ist, vermindert sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf die Unterseite eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes und

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Kochgefäß in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht.

Figur 1 zeigt in einer Draufsicht die Unterseite eines Heizeinsatzes 1 für einen elektrischen Wasserkocher. Der Heizeinsatz 1 verfügt über einen 0,4 mm bis 0,6 mm dicken Gefäßboden 2 aus Edelstahl, an dessen Unterseite der Heizkörper 4 und ein Blech 3, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht, angebracht sind. Das Blech 3 ist über Wärmebrücken 7 thermisch an den Heizkörper 4 gekoppelt und trägt als Temperaturbegrenzer einen als ASIC ausgeführten IC 6.

Der IC 6, welcher in SOI (Silicon on Insulator) Technologie ausgeführt ist, dient zur Temperaturmessung und wertet die Temperaturmeßergebnisse aus, indem er sowohl den absoluten Temperaturwert als auch die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur berücksichtigt. Der IC 6 erfaßt die Temperatur direkt, beispielsweise über die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines seiner Transistoren oder, was genauer ist, über die Temperaturabhängigkeit der Differenz der Basis-Emitterspannung von zwei bei verschiedenen Stromdichten betriebenen Bipolartransistoren, so daß sich vorteilhaft ein separater Temperatursensor erübrigt. Bevorzugt handelt es sich bei dem IC 6 um einen Leistungshalbleiter. Vorteilhaft läßt sich auf diese Art und Weise der IC 6 direkt aus derselben Quelle wie der Heizkörper 4 mit Strom und Spannung versorgen und ermöglicht es auch den durch den Heizkörper 4 fließenden Heizstrom direkt zu schalten. Hierzu ist der IC 6 über Zuleitungen 8 mit dem Heizkörper 4, bevorzugt über dessen Anschlüsse 10, elektrisch verbunden. Selbstverständlich läßt sich der

Heizstrom aber auch durch ein Relais schalten. Der IC 6 ist im Bereich der Anschlüsse 10 des Heizkörpers 4 angeordnet, wodurch sich vorteilhaft die Länge der Zuleitungen 8 verkürzt. Insbesondere bei Ausbildung des Heizkörpers 4 als, wie in Figur 1 gezeigt, Rohrheizkörper sind in diesem Bereich die Temperaturen, welchen der IC 6 im Betrieb des Wasserkochers ausgesetzt ist, vermindert, so daß sich die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des ICs 6 vorteilhaft weiter vermindern.

In der Umgebung des IC 6 weist das Blech 3 Schlitze 9 auf, welche die Wärmediffusion vom Heizkörper 4 zum IC 6 mindern, so daß die Betriebstemperatur des IC 6 vermindert ist und sich vorteilhaft die Anforderungen an dessen Temperaturbeständigkeit reduzieren. Der Wärmeeintrag vom Heizkörper 4 auf den IC 6 läßt sich gegebenenfalls durch eine zwischen dem IC 6 und dem Blech 3 angebrachte Zwischenschicht weiter vermindern. Neben der Betriebstemperatur des Heizkörpers 4 und dem Abstand des ICs 6 von dem Heizkörper 4 hat selbstverständlich auch die Dicke des Blechs 3 einen Einfluß auf die Stärke der vom Heizkörper 4 zum IC 6 stattfindende Wärmediffusion. Grundsätzlich gilt dabei, daß die Wärmediffusion um so geringer ist, je dünner das Blech 3 ausgeführt ist. Als weitere und/oder alternative Maßnahme zur Verminderung der Wärmediffusion läßt sich deshalb das Blech 3 anstelle der im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Dicke von 1,5 mm bis 2 mm auch in einer Dicke von 1,2 mm oder darunter, insbesondere weniger als 1,0 mm oder sogar weniger als 0,8 mm ausführen. Der IC 6 läßt sich durch eine geeignete Zwischenschicht, welche beispielsweise aus Metall, Keramik oder einem temperaturbeständigen Klebstoff bestehen kann, gegebenenfalls noch weiter vor einem zu hohen Wärmeeintrag schützen.

Das Blech 3 ist mit dem Gefäßboden 2 verlötet und stabilisiert diesen mechanisch. Das Blech 3 weist in der Mitte des Gefäßbodens 2 ein kreisrundes Loch 5 auf. Dieses Loch 5 dient zum einen der Relaxation von Spannungen, welche bei Erwärmung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aus Edelstahl bestehenden Bodens 2 und dem aus einer

Aluminiumlegierung bestehenden Blech 3 entstehen. Außerdem kann durch dieses Loch 5 Fluß- oder Lötmittel beim Verlöten in Form von Dampf entweichen und die Lötqualität optisch überprüft werden.

Bei dem in Figuren 1 und 2 gezeigten Heizeinsatz ist der Heizkörper 4 als Rohrheizkörper ausgeführt. Rohrheizkörper sind robust und bieten den Vorteil einer langen Lebensdauer. Selbstverständlich läßt sich der Heizkörper 4 auch als Dickschichtwiderstand ausführen, was den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Fertigung bietet.

Figur 2 zeigt ein Kochgefäß 11 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht.

Vorteilhaft erlaubt der IC 6 eine kompakte Ausführung des Heizeinsatzes 1, so daß das zum Erwärmen von Flüssigkeit nutzbare Volumen des Kochgefäßes 11 vergrößert ist. Selbstverständlich kann der IC 6 beispielsweise auch als Mikroprozessor ausgeführt werden und nicht nur als Temperaturbegrenzer sondern auch als Temperaturregler zum Erhitzen des Inhaltes des Kochgefäßes 11 auf eine beliebig einstellbare Temperatur unterhalb einer kritischen Maximaltemperatur genutzt werden.

Claims

1. Heizeinsatz für ein elektrisch beheizbares Kochgefäß (11) mit einem Gefäßboden (2) und einem damit verbundenen elektrischen Heizkörper (4) sowie einem Temperaturbegrenzer, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbegrenzer ein an der Unterseite des Gefäßbodens angebrachter IC (6) ist, in welchen ein Temperaturfühler integriert ist.

2. Heizeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der IC (6) in SOI (Silicon on Insulator) Technologie ausgeführt ist.

3. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IC (6) ein ASIC ist.

4. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IC (6) ein Leistungshalbleiter ist, mittels welchem der Heizstrom abschaltbar ist.

5. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des IC (6) ein Relais betätigbar ist, mittels welchem der Heizstrom abschaltbar ist.

6. Heizeinsatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais an der Unterseite des Gefäßbodens (2) angeordnet ist.

7. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßboden (2) aus Edelstahl ist.

8. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem IC (6) und dem Gefäßboden (2) eine Zwischenschicht erstreckt.

9. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem IC (6) und dem Gefäßboden (2) eine Zwischenschicht aus Kunststoff, insbesondere Klebstoff, erstreckt.

10. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem IC (6) und dem Gefäßboden (2) eine Zwischenschicht aus Keramik erstreckt.

11. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem IC (6) und dem Gefäßboden eine Zwischenschicht aus Metall erstreckt.

12. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des Gefäßbodens (2) ein Blech (3) angebracht ist.

13. Heizeinsatz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der IC (6) auf dem Blech (3) angebracht ist.

14. Heizeinsatz nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) dünner als 1,2 mm ist.

15. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) dünner als 1,0 mm ist.

16. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) dünner als 0,8 mm ist.

17. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) den Heizkörper (4) allenfalls auf einer Länge berührt, welche klein gegen den Gesamtumfang des Blechs ist.

18. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) vom Heizkörper (4) beabstandet angeordnet ist.

19. Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) Schlitze (9) zum Mindern einer Wärmediffusion vom Heizkörper (4) zum IC (6) aufweist.

20. Heizeinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IC (6) im Bereich der Anschlüsse (10) des Heizkörpers (4) angeordnet ist.