DE2712881A1

DE2712881A1 - Heizplatteneinrichtung mit folienheizelement

Info

Publication number: DE2712881A1
Application number: DE19772712881
Authority: DE
Inventors: Bohdan Hurko
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-10-06
Also published as: AU2240777A; FR2345884A1; CA1066343A; US4032750A; JPS52125068A; SE7703220L

Description

Heizplatteneinrichtung mit Folienheizelement

Die Erfindung bezieht aich auf Elektrische Herde und insbesondere auf die Verwendung von Folienheizelementen bei einer die Kochgeräte tragenden Deckplatte.

Eine massive Platte aufweisende Oberflächenheizeinheiten sind in der Vergangenheit mit Glas-Keramikplatten versehen worden, die Filmheizelemente aus Edelmetall aufwiesen, das direkt mit der Unterseite der Platten verbunden war. In den US-PS 3 O67 315, 3 883 719 und 3 813 520 sind drei Beispiele von Glaskeramik-Heizeinheiten mit Filmheizelementen beschrieben. Derartige Filmheizelemente haben eine Serpentinenform und sind direkt mit der Platte verbunden. Sie sorgen für ein sehr effizientes Heizsystem für Glaskeramik-Oberflächenheizeinheiten oder Kochfelder, da die

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Filmstreifen eine sehr niedrige thermische Masse und eine gute thermische Kopplung mit der Platte haben, i;as ein schnelleres Anheizen und Abkühlen zur Folge hat. Das Filmheizelement speichert sehr wenig Wärme und strahlt sehr wenig Wärme nach unten aufgrund seiner kleinen Emissionsoberfläche. Ein Nachteil der Filmheizelemente für Oberflächenheizplatten sind die relativ hohen Kosten von Filmmaterialien, da sie Edelmetalle wie Gold und Platin sind.

Weiterhin stehen geätzte Folienhej.zelemente für eine Verwendung bei massiven Pia. tenhe'izelementen bei iiedrigen Temperaturen unterhalb etwa 23O°C (450⁰F) zur Verfügung.

Diese sind sehr betriebssicher bei niedrigen Temperaturen und

ihre Kosten liegen ein gutes Stück unterhalb derjenigen von FiIm-Ein^

heizelementenTVBeispiel für geätzte Filmheizelemente ist in der US-PS 3 869 5'j6 beschrieben. Darin ist eine Glaskeramik-Platte mit einem geätzten Folienheizelement zwischen zwei Schichten aus dielektrischem Ma erial verbunden, und dieses Heizelement ist direkt mit der Unterseite der Glaskeramik-Platte verbunden. Die hierfür vo gesehene Betriebstemperatur liegt in der Größenordnung von ?30°C (450⁰F).

Die Verbindung des lamellenartigen Folienheizelementes direkt mit der Glaskeramikplatte ist jedoch nachteilig, da sie die Art des verwendeten Folienmaterials a.f eine Metallfolie mit geringer thermischer Expansion begrenzt, um so an den thermischen Expansionskoeffizienten der Glaskeramik-Platte angepaßt zu sein. Dies wiederum begrenzte die Applikation von Folienheizelementen aui einen niedrigen Temperaturbereich mit einem Maximum von etwa 23O⁰C(450⁰F).

Darüber hinaus verwendeten bekannte Folienheizelemente ein flexibles, wärmeaushärtbares, organisches Klebemittel, um eine feste Verbindung herzustellen. Dies begrenzte wiederum das Folienheizelement auf einen kleinen Temperaturbereich. Bei höheren Temperaturen würde ein derartiges Klebemittel verkohlen und

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Kurzschlüsse zwischen den Windungen des Folienheizelementes bewirken, was sich bei praktischen Versuchen auch tatsächlich gezeigt hat.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Hauptaufgabe besteht deshalb darin, eine eine massive Platte aufweisende Oberflächenheizeinheit mit einem getrennten, flexiblen, isolierten Folionheizelement für eine Verwendung bei nohen Temperaturen in der Nähe von 68O⁰C (1250⁰F) zu schaffen. In einer derartigen Oberflächenheizeinheit soll sich das Folien-Widerstandselement bei Betriebstemperaturen frei ausdehnen können in Relation zu seinen halternden Isolationsschichten. Weiterh,.. beinhaltet die Erfindung Mittel, die einen konstanten Dr,, ic gegen das isolierte Folienheizelement ausüben, um es fest gegen die Unterseite der Platte zu halten und zu verhindern, daß es sich bei hohen Betriebstemperaturen von der Platte trennt. Weiterhin soll ein dünner, qualitativ hochwertiger, isolierender Halterungsstreifen geschaffen /um den thermischen Wirkungsgrad der Oberfläch ih >■.-einheit zu erhöhen. Der Halterungsstreifen ist seinerseits durch eine verstärkte Reflektorpfanne verspannt, der verhindert, daß sich die Halterungspfanne bei hohen Betriebstemperaturen durchsenkt.

Diese Aufgabe wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer eine ebene Platte aufweisenden Oberflächenheizeinheit durch eine das Kochgerät tragenden Deckplatte und em getrenntes, dünnes, flexibles, isolierr.es Folienheizelement gelöst, das auf einem Halterungsstreifen aus dielektrischem Materia] ruht, das in einer verstärkten Reflektorpfanne sitzt. Es wird ein konstanter, nach -ben gericKte r Druck auf die Anordnung ausgeübt, um das isolierte Folienheizelemei. t in eine gute thermische Kopplung mit der Unterseite α.-.· Deckplatte zu drücken.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der foügenden Beschreibung und ü.jr Zeichnung von Ausführangsbe-spielen näher erläutert.

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Figur 1 ist eine Teil :>chnittansicht durch ein Glaskeramik-Kochfeld mit einem getrennten, isolierten Folienheizelement und zeigt ferner die zugehörigen Teile gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine Ansicht von unten auf die verstärkte Reflektorpfanne und zeigt ferner die zwei Anschlüsse des isolierten Folienheizelementes, die an gegenüberliegenden Seiten der Anordnung liegen.

Figur 3 ist eine Teilansichi von einem anderen Ausführungsbeispiel des isolierten Folienheizelementes und zeigt langgestreckte Ausschnitte in der Isolation zwischen benachharten Windungen des Folienheizelementes, um ein Folienheizelement mit einer größeren Bewegungsfreiheit bei hohen Betriebstemperaturen zu schaffen.

Figur H ist eine auseinandergezogene Teilschnittansicht der Deck platte und der lameIlenförmigen Schichten des isolierten Folienheizelementes.

In Figur 1 ist ein Teil eines elektrisch geheizten Glaskeramik-Kochfeldes 10 gezeigt, das in eine Küchen-Arbeitsplatte 12 eingebaut ist. Selbstverständlich kann die Heizeinheit gemäß der Erfindung auch in einer Arbeitsplatt« über der Backröhre einei Elektroherdes oder als eine einzelne überflächenheizeinheit oder Heizplatte verwendet werden. Das Kochfeld 10 weist einen flachen Befestigungskasten oder Schutzkasten 14 mit einer Bodenwand 16, vertikalen Seitenwänden 18 und einer offenen Oberseite auf, die durch eine dünne, das Kochgerät tragende Glaskeramik-Platte 20 geschlossen werden kann, die eine große Platte zur Aufnahme von vier Heizeinheiten oder eine Reihe von entweder zwei mittleren Platten oder vier kleineren Einzelplatten sein kann. Das Material für eine derartige Glaskeramik-Platte ist kristallines Glas, das ±m allgemeinen durchscheinend (opak) ist mit einem milchig-weißen Erscheinungsbild aus Siliziumoxid-Aluminiumoxid-Sili«vaten, die einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffi-

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zienten aufweisen. Derartige Materialien werden beispielsweise unter den Händelsnamen PYROCERAM, CER-VIT und HERCUVIT vertrieben. Dieae Glaskeramik-Platte 20 hat eine glatte Oberfläche mit einem Aussehen von nahezu geschliffenem Glas und ist leicht zu reinigen. Weiterhin können k^-ine übergelaufenen Speisen unter die Platte fließen, wie es bei üblichen Heizelementen der Fall ist, die Spirale aus mit Metall ummantelten elektrischen Widerstandsheizelementen verwenden. Auch, wenn eine GIa .keramikplatte 20 gezeigt ist, so könnte die massive Platte selbstverständlich auch aus Metall oder einem anderen hohen Temperaturen widerstehenden Material hergestellt sein.

Ein Umfangsrand oder -flansch 22 um den oberen Rand der vertikale Wände 18 des Schutzkastens 14 herum dient als eine Halterung für die Glasplatte 20, und es können noch andere Halterungsränder nahe der Mitte des Kastens vorgesehen sein, falls dies erforderlich ist. Der Umfangsrand der Glasplatte 20 ist n . t einer elastischen Dichtung 24 versehen, d, den Rand schützt und als ein elastischer Sitz und eine Feuchtigkeitssperre dient. Ein Justierrahmen 26 mit T-förmigem Querschnitt umgibt den Umfang des Kastens I¹J und dient als eine Halterung für den Kasten in einer öffnung der Arbeitsplatte 12, wie es üblich ist. Der vertikale Abschnitt 28 des Justierrahmens 26 kann an den vertikalen Wänden 18 des Schutzkastens durch eine Reihe von weitjbeabstandeten Federklemmen 30 befestigt werden. Der Kopf 32 des T-formigen Justiere rahmens 26 liegt mit seiner innersten Hälfte über dem Umfangsrand der Glasplatte 20, und seine äußere Hälfte liegt über einem umfangsrand der Arbeitsplatte 12, in der eine Öffnung zur Aufnahme des Kochfeldes 10 vorgesehen ist. Es können geeignete Niederhalteklemmen (nicht gezeigt) verwendet werden, um das Kochfeld bztf. die Kochmulde in ihrer Lage zu verankern. Wenn die Kochmulde 10 mit einer elektrischen Back- bzw. Bratröhre montiert würde, um einen vollständigen Herd zu bilden, dann würde die Befestigungseinrichtung für die Glasplatte in üblicherweise entsprechend geändert werden.

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Die Kochmulde 10 weist mehrere Heizeinrichtungen auf. Die Anzahl vier ist mehr oder weniger üb Ii cn bei elektrischen Herden. Zu Darstellungszwecken ist nur eine einzige Oberflächenheizeinheit 34 in Figur 1 gezeigt. Die Heizeinheit 34 weist eine Heizvorrichtung 38 in der Form eines dünnen, flexiblen, dielektrischen Blattes 42 auf, das ein geätztes Folien-Widerstandsheizelement 44 trägt, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Das dünne dielektrische Blatt 42 kann gegen die Unterseite der Deckplatte angeordnet werden. Ein Folieii-Widerstandsheizelement 44 mit spulenförmiger Konfiguration ir.t durch einen anorganischen Binder HO klebend mit dem dielektrischen Blatt H2 verbunden. Eine andere Modifikation würde aarin bestehen, ein zweites dielektrisches Blatt HS unterhalb des ersten dielektrischen Blattes H2 zu verwenden, und die zwei Blätter durch einen anor iischen Binder H8 klebend miteinander zu verbinden. Als geeignete anorganische Binder haben sich entweder Natrium-, Kalium- oder Aluminiu.usilikale erwiesen, die Maximaltemperaturen in der Nähe von 68O⁰C (1250⁰F) zu widerstehen vermögen, obwohl der Binder bei diesen Temperaturen eine ziemlich weiche Verbindung zwischen den dielektrischen Blättern H2 und H6 und der Folienheizspule HH bildet. Dies·=" recht weiche Verbindung ist ein positives Charakteristikum der Heizvorrichtung 38, da sie eine freie Expansion der verschiedenen Komponenten ge, tattet, so daß die Folienheizspule!, gleichmäßig beabstandet bleiben und die lamellierte Heizvorrichtung 38 sich bei' den hohen Betriebstemperaturen nicht wirft oder von der Glaskeramikplatte 20 wegbewegt.

Das Folienheizelement 44 ist eine dünne Fo'. ..e in der Größenordnung von 0,05 mm (0,002 Zoll), das auj rostfreiem Stahl oder Nichrom-Folie in einer Spulenkonfiguration geätzt ist, wie sie bei Filmheizelementen verwendet wird. Die Folienheizspule ist mit den dielektrischen Blättern H2 und 46 zum Schutz und zur einfachen Handhabung verbunden. Diese dielektrischen Blätter können aus Keramikpapier oder Glasfibermatte oder Mikamet-Isolationsblättern bestehen, die etwa 0,25 nun (0,010 Zoll) dick sind, so daß die gesamte Anordnung aus dem Folienheizelement HH

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und den oberen und unteren dielektrischen Blättern 42 und 46 einen sandwichartigen Verbund bilden, der dünn wie ein Plättchen (wafer) und darüber hinaus flexibel ist, um sich an die untere Oberfläche der Glaskei-imikplatte 20 anzupassen.

Die Heizeinrichtung 38 ist auf einen Streifen aus dielektrischem Material mit hohem Isoliervermögen gehalten, wie beispielsweise Mikrotherm. Dieser Isolierstreifen sitzt auf einer verstärkten Reflektorpfanne 56, die im allgemeinen die aus Figur 2 ersichtliche orm hat. Figur 2 ist eine umgekehrte Ansicht der Pfanne 56, d. h. man sieht auf die Unterseite dieser Pfanne bzw. Wanne. Die Wanne ist verstärkt, denn wenn sie eine einfache ebene Boden- *and wäre, würde sie nicht fest genug sein und die Tendenz haben, einen "Ölkannen"-Effekt bei hohen Betriebstemperaturen zu besitzen, Die Aufgabe der Wann besteht darin, den Isolierstreifen 52 zu tragen und einen konstanten nach oben gerichteten Druck gegen die Heizeinrichtung 38 auszuüben, um die Heizeinrichtung fest gegen die Unterseite der Deckplatte 20 zu drücken. Dies alles muß bei relativ hohen Temperaturen geschehen, die bis zu 120°C (25O°F) ansteigen und das Metall hat die Tendenz, sich aufgrund von Temperaturänderungen auszudehnen und zusammenzuziehen.

Die Wanne 56 ist verstärkt oder getrieben, se daß sie eine feste Kon: ,ruktion hat. Im allgemeinen hau die Wanne 56 eine Kreisform und einen ebenen bzw. flachen Mittelbereich 58, einen schmalen Umfangsbereich 60 in der gleichen horizontalen Ebene wie der Mittelbereich 58 und eine Reihe von radialen Armen 62, die den Mittelbereich 58 mit dem Umfangsbereich 60 verbinden und in der gleichen horizontalen Ebene mit diesem angeordnet sind. Zwischen den radiaxen Armen 62 befinden sich Vertiefungen oder gezogene At..schnitte 64, die zur Verstärkung der Wanne dienen und diese stabiler machen. Somit sind die Oberflächen 58, 62 und 60 in direktem Kontakt mit der Unterseite des Isolierstreifens 52. Der Umfang der Wanne ist mit einem vertikalen Rand 66 versehen, um den Isolierstreifen 52 einzuschließen, so daß eine Wärmeschranke gegen eine Wärmeströmung von der Heizeinrichtung 38 nach

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unten gebildet ist. Der vertikale Rand 66 endet kurz vor der Heizeinrichtung 38, um nicht mit der Heizeinrichtung in Berührung zu kommen.

Vortei" 'lafterweise wird ein konstanter nach oben gerichteter Druck gegen die Heizeinrichtung 38 über den Isolierstreifen 52 und die Reflektorwanne 56 ausgeübt, da die Deckplatte 20 als eine Wärm senke dient und Wärme von der Heizeinrichtung 33 abzieht. Wenn eine schlechte thermische Kopplung zwischen der Heizeinrichtung 38 und der Deckplatte 20 bestehen würde, könnten eine lokale Überhitzung der Heizeinrichtung, ein schlechter thermischer Wirkungsgrad und eine verkürzte Lebensdauer des Folienheizelementes auftreten. Dies liegt an dem Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Folienheizspule 34 und den dielektrischen Blättern 42 und 46 aus Micamet oder ähnlichem. Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, wenn die Heizeinrichtung 38 fest gegen die Deckplatte 20 geschoben wird, und der thermische Wirkungsgrad ist dann viel höher. Eine geeignete Kraft ist ein Druck irgendwo zwischen 22 und 112 kp (5 - 25 Pounds) auf einer Heizeinheit mit einem Durchmesser von 15 cm (6 Zoll). Dieser Druck gestattet eine gute thermische Kopplung zwischen der Heizeinrichtung und der Deckplatte und erlaubt trotzdem eine freie Expansion des Folienheizelementes, wenn dies erforderlich ist. Der Aufwärtsdruck wird durch eine Blattfeder 70 geliefert, die an einer Stützklammer 72 befestigt ist, die ihrerseits an der Bodenwand ;o des Schutzkastens 14 angebracht ist. Die Feder ist aus dünnem Federmaterial und weist zwei nach oben gebogene Enden Tk auf, die durch vergrößerte öffnungen 76 in der Klammer hindurchführen und in Öffnungen 76 in der Bodenwand der Reflektorwanne 56 befestigt ist. Eine Befestigungsschraube 80 führt durch die Mitte der Feder 70 hindurch und ist in eine öffnung in der Klammer geschraubt. Die Schraube ragt in eine vergrößerte öffnung in der Reflektorwanne 56 hinein. Somit kann die Schraube 80 nicht den Isolierstreifen 52 veri tzen, wobei die Mitte 79 des Bereiches 58 der Reflektorwanne leicht vertieft ist, wie es am beste.1 aus Figur 1 zu ersehen ist. Wenn also die Befestigungsschraube 80 angezogen ist, wölbt sich die Feder 70 nach oben

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zur Mitte, und die zwei Enden 74 üben einen Druck nach oben gegen die Reflektorwanne 56 aus.

Die zwei Anschlüsse 84 und 86 des Polienheizelementes 44 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Oberilächenheizeinheit gezeigt, wie es am besten aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist. Die Konfiguration des Folienhei^'lementes 44 ist nicht im Detail gezeigt, aber sie sollte im allgemeinen eine spiralförmige Konfiguration haben, die am Umfang der Heizeinrichtung 38 beginnt, bis sie die Mitte erreicht, wo sie umkehrt und eine umgekehrte Spiralform in entgegengesetzter Richtung im allgemeinen parallel zur ersten Spirale verläuft, aber auf der diametral gegenüberliegenden Seite der Heizeinrichtung 38 endet. Diese spezielle Spulenkonfiguration ist allgemein bekannt. Die Breite des Folienheizelementes, 44 nimmt an den Anschlüssen zu, um die Betriebstemperatur an den Anschlüssen zu senken. Dies ist am besten in Figur 2 gezeigt. Die Heizeinrichtung 38 ist mit äußeren Ansätzen oder Fahnen 86 der dielektrischen Blätter 42 und 46 versehen. In dem Boden des dielektrischen Blattes 46 ist eine vergrößerte öffnung 88 ausgebildet, um so das Folienheizelement 44 freizulegen, so daß ein Anschlußblatt 90 an dem Folienheizelement angelötet oder angeschweißt werden kann, damit ein Aufsteck-Verbinder 32 auf den Ansatz geschoben werden kann, um eine elektrische Verbindung hiermit herzustellen, wie es am besten aus den Figuren 1 und 2 zu ersehen ist. Leiterdrähte 94 sind auf übliche Weise durch eine Quetschverbindung mit dem Verbinder 92 verbunden.

Eine Abwandlung der Heizeinrichtung ist in der Teilansicht gemäß Figur 3 gezeigt, wobei es sich hier um eine flexible Heizeinrichtung 38 handelt. In der Heizeinrichtung 38 zwischen den Spulen des Folxenheieelementes 44 sind langgestreckte Ausschnitte 98 ausgebildet, um die Heizeinrichtung noch flexibler zu machen

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und eine freie Ausdehnung des FolienhcIzelementes bei höheren Temperaturen zu gestatten, ohne daß sich die Heizeinrichtung werfen oder von der Deckplatte 20 trennen kann. Somit dient die Deckplat ^j 20 immer als eine Wärmesenke und verhindert, daß die Heizeinrichtung 38 überhitzt wird.

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Claims

Ansprüche

1. Heizplatteneinheit mit einer oberen, ein Kochgerät tragenden Deckplatte, gekennzeichnet durch

eine dünne flexible Schicht (42) aus dielektrischem Material, die gegen die Unterseite der Deckplatte (20) angeordnet, aber nicht mit dieser verbunden ist, ein Widerstands-Folienelement (44), das durch Kleben mit der Unterseite der dielektrischen Schicht (42) verbunden ist, einen Halterungsstreifen (52) aus dielektrischem Material, das unterhalb des Folienelementes (44) angeordnet ist, eine verstärkte Reflektorwanne (56), die den dielektrischen Streife; (52) fest haltert, und eine einen konstanten Druck ausübende Vorrichtung (70), die nach oben gegen die Reflektorwanne (56) drückt derart, daß ein guter Kontakt und eine gute thermische Kopplung zwischen dem Widerstands-Folienelement (44) über die dünne dielektrische Schicht (42) zur Deckplatte (20) hergestellt ist

2. Heizplatteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Widerstands-Folienelement (44) mit der dielektrischen Schicht (42) durch einen hoch temperaturbeständigen anorganischen Binder (48) verbunden ist, der aus Natrium-, Kalium- oder Aluminiumsilikaten besteht.

3. Heizplatteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine zweite dünne flexible Schicht (46) aus dielektrischem Material durch Kleben mit d^-r Unterseite des Widerstands-Folienel, »ente? (44) und der ersten dielektrischen Schicht (42) verbunden ist zur Bildung

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eines flexiblen geschichteten Heizelementes (38), wobei das klebende Verbindungamaterial ein anorganischer Binder ist, der Temperaturen in der ,,ähe von 675°C widersteht und während des Betriebes des Heizelementes eine relative weiche Verbindung bildet derart, daß eine freie Expansion und Kontraktion des Widerstands-i-'olienelementes (44) während des Betriebes gestattet ist.

4. Heizplatteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungsstreifen (52) aus dielektrischem Material unter einer Druckkraft zwischen 22 und 112 kp steht derart, daß ein guter Kontakt zwischen dem Widerstands-Folienelement (44) und seiner dünnen Schicht aus dielektrischem Material mit der Deckplatte (20) besteht.

5. Heizplatteneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet . daß die verstärkte Reflektorwanne (52) eine- tiefgezogene Bodenwand mit einem im allgemeinen ebenen Mittelabschnitt (58), zahlreichen im allgemeinen ebenen radialen Armen (62) und einem im allgemeinen ebenen Umfangsab schnitt (60) aufweist, der die radialen Arme verbindet, wobei alle ebenen Oberflächen mit dem Haltestreifen (52) in Kontakt sind und die ebenen radialen Arme (62) durch Vertiefungen getrennt sind, die zur Verstärkung der Bodenwand der Wanne (56) gegen -in Werfen dienen.

6. Heizplatteneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei dem flexiblen, geschichteten Heizelement (38) das Widerstands-Folienelement (44) in einer eng beabstandeten Spiralkonfiguration angeordnet ist, wobei ausgewählte Abschnitte der zwei dünnen Isolierschichten (42, 46) zwischen benachbarten Windungen des spiralförmigen Widerstands-Folienelementes (44) mit langgestreckten Ausschnitten (98) versehen sind derart, daß das spiralförmige Folienelement bei hohen Betriebstemperaturen eine größere Bewegungsfreiheit besitzt.

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