DE2729930C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Strahlungs-Heizelementes - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Strahlungs-Heizelementes.
• Aus der US-PS 35 00 444 ist ein Filterformverfahren bekannt geworden, das auch als Vakuum- oder Saugverfahren bezeichnet wird. Es besteht darin, daß die Heizwendel auf einen Filter gelegt wird, durch den das Wasser aus einer Isolierfaser-Aufschlämmung abgesaugt wird. Dadurch wird die Heizwendel eingebettet und auch ihr Inneres zumindest mit kleineren Faserstücken und Bindemitteln gefüllt. Die somit im Isoliermaterial versenkt liegende Heizwendel ist zwar für die in der US-PS 35 00 444 beschriebenen Kontaktheizkörper, aber nicht für Strahlheizkörper geeignet, weil die Abstrahlungsfläche der nur oberflächlich aus der Isoliermasse heraussehenden Heizwendeln zu gering ist.
• Aus der DE-OS 23 39 786 ist eine Strahlungs-Heizeinheit bekannt geworden, bei der die auf einer dünnen Trägerplatte spiralförmig angeordneten Heizwendeln durch haarnadelartige Klammern 19 befestigt sind, die in Abständen durch die Trägerplatte in die Isolierschale hineingesteckt sind. Diese Anbringung ist sehr arbeitsaufwendig und auch nicht sehr sicher. Beim Arbeiten der Heizwendeln während ihrer Erwärmung und Abkühlung können sich die Klammern im Isoliermaterial lockern. Es ist auch sehr leicht möglich, daß die Spiralen sich in radialer Richtung bewegen und in Berührung miteinander kommen, wodurch Teil-Kurzschlüsse entstehen. Außerdem muß durch eine übermäßige Dicke des Isolierkörpers dafür gesorgt werden, daß die Haarnadeln auf keinen Fall bis zur Trägerschale durchgedrückt werden, wodurch ein gefährlicher Kurzschluß entstehen könnte.
• Des weiteren ist aus der US-PS 36 12 828 eine Heizeinheit bekannt geworden, bei der auf einem sehr massiven Isolierträger in einer Rille ein Heizwiderstand in Form eines mäanderförmig gebogenen Heizbandes dadurch festgelegt ist, daß in bestimmten Abständen Metallklammern über den Heizwiderstand greifen, deren Schenkel durch den Isolierträger durchlaufen und an der dem Heizwiderstand abgewandten Seite am Isolierträger mit hochtemperaturfestem Klebstoff bzw. Kitt angeklebt sind.
• Aus der DE-OS 21 65 569 ist ein Elektrokochgerät mit einer Glaskeramikplatte bekannt geworden, bei dem auf radial verlaufenden Isolierstegen Heizwendeln relativ dicht unterhalb der Glaskeramikplatte in Ausnehmungen geführt sind. Der Blechträger befindet sich in einer Trägerschale und ist mit federndem Isoliermaterial unterlegt. Das Isoliermaterial drückt dabei die Isolierstege gegen die Glaskeramikplatte.
• Die Heizwendeln neigen, insbesondere, wenn infolge hoher Betriebsspannung die Drahtstärke gering ist, dazu, bei starker Erwärmung durchzuhängen und besitzen dabei zwischen den Isolierstegen zusätzliche Zwischenabstützungen.
• Ein auf einem Isolierträger mittels durchgesteckter und umgebogener Lappen befestigtes Widerstandsband zeigt auch die DE-OS 25 51 137.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungs-Heizelementes zu schaffen, das mit geringem Aufwand und weitgehend ohne zusätzliche Befestigungsteile eine sichere Befestigung der elektrischen Heizwiderstände auf dem Isolierträger ermöglicht und bei dem die elektrischen Heizwiderstände gute Strahlungs-Heizeigenschaften und eine große Lebensdauer haben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst.
• Die Drahtwendel wird also ohne zusätzliche Befestigungsmittel, wie Kitt oder Drahtstifte oder dgl., direkt am Isolierträger befestigt, wodurch das Verfahren mit geringem Zeitaufwand durchgeführt werden kann. Trotzdem ist die Drahtwendel einwandfrei und auch gegen Einflüsse der Wärmeausdehnung sicher festgelegt.
• Vorzugsweise kann die Eindrückung beim Preßvorgang des Isolierträgers vorgenommen werden. Hierdurch wird ein weiterer Verfahrensschritt eingespart. Besonders bevorzugt kann die Drahtwendel nur über einen Teil ihrer Höhe in den Isolierträger so weit eingedrückt werden, daß das Isoliermaterial durch die Zwischenräume zwischen den Windungen der Drahtwendel nur wenig durchdringt, weitgehend nur die Drähte umschließt und das freie Innere der Drahtwendel von Isoliermaterial weitgehend frei läßt. Die einzelnen Windungen der Drähte wirken also wie ein Gitter, das die faserigen Materialien überwiegend zurückhält. Die Wendeln sind also nur in einem unteren Bereich von dem Isoliermaterial umschlossen, aber auch in diesem Bereich bleibt das übrige Wendelinnere frei, so daß sich in diesem Bereich eine Vertiefung in dem Isolierträger bildet. Dadurch ist das Innere der Drahtwendel nicht an der Abstrahlung gehindert, und die abstrahlende Fläche ist gegenüber einer gar nicht eingebetteten Drahtwendel nur in ganz geringem Maße und auch nur an der von der zu beheizenden Seite abgewandten Fläche abgedeckt.
• Vorzugsweise wird von jeder Windung der Drahtwendeln nur ein geringer Teil eingebettet, und der übrige Bereich ihres Umfanges wird frei gelassen.
• Das Isoliermaterial, aus dem der Isolierträger besteht, erhält Fasern, die vorzugsweise mit einem Bindemittel versehen sind. Die Drahtwendel wird eingepreßt, solange der Isolierträger noch weich bzw. plastisch verformbar ist, und danach erfolgt eine Trocknung oder Härtung bzw. ein Brennvorgang, durch den die Drahtwendel dauerhaft festgelegt wird.
• Weitere Vorteile und Merkmale gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt
• Fig. 1 einen teilweise abgebrochenen zentralen Schnitt durch eine Strahlungsheizeinheit eines Glaskeramik-Kochgerätes,
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des darin verwendeten Isolierträgers und
• Fig. 3 ein vergrößertes Detail entsprechend dem strichpunktierten Kreis III in Fig. 1.
• In Fig. 1 ist eine Glaskeramikplatte 11 dargestellt, die die Kochfläche eines im übrigen nicht weiter dargestellten Elektrokochgerätes bildet. Unter der Glaskeramikplatte ist eine Heizeinheit 12 angeordnet, und zwar vorzugsweise mittels nicht dargestellter Federelemente an die Unterseite der Glaskeramikplatte angedrückt. Die Heizeinheit 12 besitzt eine Trägerschale 13 aus Blech, die aus einem unteren Blechteil 14 in Form einer flachen Schüssel mit ebenem Boden und einem oberen Blechteil 15 in Form eines Ringes mit Z-förmigem Querschnitt besteht. Beide Blechteile sind an ihren aufeinanderliegenden Ringflanschen miteinander verbunden.
• Die Trägerschale 13 ist mit einer Isolation ausgekleidet, die aus zwei parallel zum Boden 16 der Trägerschale verlaufenden Isolierschichten oder -scheiben 17, 18 und einem Isolierring 19 besteht. Diese Isolierschichten können aus unterschiedlichsten Materialien aufgebaut sein. Da normalerweise die Wärmeisolationseigenschaften bei hochwärmebeständigen Isolationen, die hier zu verwenden sind, mit zunehmender mechanischer Festigkeit abnehmen, kann bei den Isolierschichten 17, 18, da sie festigkeitsmäßig praktisch unbelastet sind, ein Material relativ geringer mechanischer Festigkeit, aber hoher Wärmeisolierfähigkeit verwendet werden. Dabei kann die unterste Schicht 17 auch beispielsweise aus einem nicht oder nur schwach verdichteten Schüttmaterial (beispielsweise fein verteilter Kieselsäure) bestehen oder, da hier die "kälteste" Stelle der Heizeinheit ist, aus einem Material nicht so hoher Wärmebeständigkeit. Dagegen sollte der Isolierring 19, der eine gewisse Tragfunktion hat, mechanisch etwas höher belastbar sein. Er kann aus einem faserigen Isoliermaterial bestehen, beispielsweise aus einer Aluminiumoxidfaser, die, unter Zusatz entsprechender Bindemittel verpreßt, eine pappartige Struktur erhält. Ein ähnliches Material ist unter der Bezeichnung " Fiberfrax" im Handel. Es können jedoch auch andere mineralische Fasern als Grundlage für die Isolierung verwendet werden.
• Auf der oberen Isolierschicht 18 und innerhalb des Isolierringes 19, jedoch in einer Ringausnehmung des Isolierringes mit seinem Rand eingeschlossen, liegt ein Isolierträger 20, der die Form einer kreisrunden Scheibe hat. Bei einem üblichen Heizkörper für einen Glaskeramikherd liegen die Abmessungen in der Größenordnung von 15 cm Durchmesser und 5 mm Dicke. Dieser Isolierträger besteht ebenfalls aus einem gepreßten faserigen Isoliermaterial mit sehr hoher Wärmebeständigkeit und trägt an seiner Oberseite spiralförmit verlaufende, aus Drahtwendeln bestehende Heizwiderstände 21, wodurch ein ringförmiger Heizbereich geschaffen wird, der lediglich eine unbeheizte Mittelzone 22 freiläßt.
• Die Heizwiderstände 21 liegen mit dem größten Teil ihrer Erstreckung auf der Oberfläche 23 des Isolierträgers 20 oder geringfügig darüber. Von der im wesentlichen ebenen Oberfläche 23 stehen Erhebungen 24, 25 vor, die radial verlaufen. Die Erhebungen 24 laufen vom Außenrand bis zur unbeheizten Mittelzone durch, während die Erhebungen 25 ca. auf halbem Wege dahin enden. So ist sichergestellt, daß die Abstände zwischen den Erhebungen in einem bestimmten Bereich bleiben. Diese Erhebungen sind durch Prägung des Isolierträgers bei seiner Herstellung durch Pressen der mit Bindemitteln versehenen Fasermasse hergestellt. Dabei werden die Heizwiderstände mit eingepreßt, so daß sie die Erhebungen durchdringen und in diesen festgehalten sind. Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, sind die Heizwiderstände im Bereich der Erhebungen vorzugsweise um etwas mehr als die Hälfte ihres Wendelumfanges eingebettet, wobei jedoch ihre oberen Windungen, und zwar fast die gesamte obere Hälfte sowie das Innere der Wendel frei bleibt.
• Dadurch werden zwar die Heizwiderstände außerordentlich gut festgehalten, jedoch in ihrer Wärmeabstrahlung kaum behindert. In dem gesamten Bereich zwischen den Erhebungen können die Heizwiderstände ungehindert abstrahlen und im Bereich der Erhebungen ist jeweils nur der untere Windungsteil an der Abstrahlung gehindert. Es wird somit ein sehr wirksames Heizelement geschaffen, das beste Abstrahlungsverhältnisse nach oben gewährleistet.
• Der Isolierträger 20 sollte, beispielsweise durch entsprechende Materialwahl oder stärkere Verpressung des Materials, eine höhere mechanische Festigkeit haben als die übrige Isolierung. Er bildet daher eine Scheibe, die zwar immer noch eine gewisse pappartige Struktur hat, jedoch bei der Herstellung, Montage und Reparatur ohne weiteres handhabbar ist. Die Heizwiderstände sind so fest auf dieser Karte, daß nicht zu befürchten ist, daß sie sich in irgendeiner Weise durch Erschütterungen oder Wärmedehungen lösen.
• Die die Erhebungen 24, 25 bildenden Prägungen ergeben auf der Unterseite des Isolierträgers Vertiefungen 26. Vorzugsweise sind an der Oberseite der oberen Isolierschicht 18 ebenfalls Ausnehmungen 27 vorgesehen, so daß diese sich evtl. kreuzenden Ausnehmungen einen Luftraum schaffen, der zusätzlich zur Isolierung beiträgt. Der elektrische Anschluß der Spiralen führt vorzugsweise durch den Isolierträger durch nach unten, so daß die Anschlußdrähte beispielsweise in einer der Ausnehmungen 26 verlaufen kann. Die entsprechenden Anschlußstifte oder Zungen können schon beim Verpressen durch das noch weiche Material des Isolierträgers hindurch gedrückt werden. Der Isolierträger wird nach dem Verpressen normalerweise noch einem Trocknungs- oder Brennvorgang ausgesetzt.
• Die Montage der Heizeinheit erfolgt derart, daß in das untere Blechteil 14 zuerst die Isolierschichten 17 und 18 eingeschüttet und/oder, wenn es sich um vorgepreßte Scheiben handelt, eingelegt werden und darauf der Isolierträger 20 gelegt wird. Die Anschlußdrähte 28 werden seitlich durch eine Ausnehmung 29 im Bereich der Trennlinie zwischen den Blechteilen 14, 15 hinausgeführt. Danach wird der Isolierring 19 aufgesetzt und die Heizeinheit durch Aufsetzen und Befestigen des oberen Blechteils 15 fertiggestellt. Der Isolierring 19 besitzt auch einen nach oben vorstehenden Ringbereich 30, der sich an die Unterseite der Glaskeramikplatte anlegt.
• In Fig. 1 ist ein Temperaturbegrenzer bzw. Temperaturregler 31 derart angebracht, daß sein stabförmiger Temperaturfühler 32 diametral durch den zwischen den Heizwiderständen 21 und der Unterseite der Glaskeramikplatte 11 gebildeten Strahlungsraum 33 hindurchragt. Der Temperaturfühler läuft dabei durch eine Öffnung des Blechteils 15 und des Isolierringes 19 hindurch.
• Da die gesamte Isolation 17, 18, 19 und auch der Isolierträger 20 nur so weit verdichtet werden sollte, als dies für die mechanische Festigkeit unbedingt wichtig ist, kann die Oberfläche der Isolierteile bei Berührung noch etwas Abrieb zeigen. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Oberflächen der Isolierteile besonders zu behandeln, sie beispielsweise mit einem erhöhten Bindemittelzusatz zu versehen oder sie mit einem wärmebeständigen Lack zu spritzen. Es ist ferner sehr vorteilhaft, die Oberseite des Isolierträgers mit einem in bezug auf Wärmestrahlung möglichst schwarz wirkenden Lack zu versehen, um die Wärmeabstrahlung nach oben zu verbessern.
• Normalerweise haben die Heizeinheiten eine kreisrunde Gestalt und dann ist es auch sinnvoll, den Isolierträger kreisrund zu gestalten. Es kann jedoch von Vorteil sein, zur besseren Anpassung an die normale Viereranordnung einer Kochplatte rechteckige oder quadratische Heizeinheiten zu verwenden. In diesem Falle könnte entweder der Isolierring zur Überbrückung eine außen viereckige und innen runde Gestalt bei Verwendung eines runden Isolierträgers haben, oder es könnte auch ein viereckiger Isolierträger Verwendung finden. Es ist sogar möglich, wegen der relativ guten Festlegung der Heizwiderstände auf der Oberfläche des Isolierträgers, die Spiralen in eckiger Anordnung zu verlegen, so daß viereckige Heizfelder entstehen. Im Falle eines viereckigen Isolierträgers bzw. Isolierringes bei nach wie vor rundem Heinzringbereich könnten in den entstehenden unbeheizten Ecken Überwachungs- oder Abfühlgeräte für die Temperaturüberwachung angeordnet werden. Es sei noch einmal auf die besonders vorteilhafte Möglichkeit hingewiesen, ein schüttfähiges Isoliermaterial im Bereich der Isolierschichten 17, 18 zu verwenden, das neben einer besonders einfachen Herstellung den Vorteil einer sehr hohen Wärmeisolierfähigkeit hat. Dies wird durch die Anbringung des Heizelementes auf einem mechanisch recht festen und einen dichten Abschluß bildenden Isolierträger ermöglicht. Es ist auch vorteilhaft, daß beispielsweise bei unterschiedlichen Netzspannungen oder Heizleistungen jeweils nur ein anderer Isolierträger mit Heizwiderständen hergestellt werden muß, während die übrige Heizeinheit gleich bleiben kann und somit in hohen Stückzahlen in Serie herstellbar ist. Auch für die Vorrats- und Reparaturteilhaltung ist dies wichtig. Der Isolierträger braucht nur kleinsten Platz bei allen Fertigungsschritten, bei seiner Prüfung und anderen Arbeitsverfahren. Mit den radial austretenden Zuleitungen läßt sich der Isolierträger nicht nur besonders gut anschließen, sondern ist auch ohne weiteres stapelbar, so daß der Transport vereinfacht wird.
• Die Heizwiderstände auf dem Isolierträger sind normalerweise spiralförmig gelegte kreisrunde Drahtwendeln. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Drahtwendeln oval zu machen, und zwar mit ihrer geringsten Erstreckung in Richtung auf die Glaskeramikplatte. Dadurch kann der Strahlungsraum auch bei größeren Wendeln eine ausreichende Größe erhalten, die u. U. auch für die Durchschlagfestigkeit notwendig ist. Es ist ja stets besonders schwierig, trotz guter Isolation und erforderlicher Durchschlagfestigkeit Heizeinheiten sehr geringer Dicke herzustellen, die gleichzeitig an ihrer Unterseite noch eine ausreichend geringe Temperatur haben, um an brennbare Teile von Küchenmöbeln angrenzen zu können.
• Bei einer weiteren, nicht dargestellten Variante, könnten die Spiralen auf dem Isolierträger (oder auch der gesamte Isolierträger) an einzelnen Stellen etwas tiefer gelegt werden, beispielsweise um Platz für einen Stab-Temperaturfühler zu schaffen. Durch diese Vertiefung kann der notwendige Isolierabstand erhalten bleiben, ohne daß die gesamte Strahlfläche tiefergelegt werden muß.
• Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt jede Heizeinheit eine gesonderte Trägerschale, die an die Glaskeramikplatte angedrückt wird. Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, für ein Mehreinheiten-Kochgerät z. B. nur eine Trägerschale zu verwenden, in der eine Isolierung liegt, die mehrere schüsselförmige Ausnehmungen zur Aufnahme der Isolierträger abgrenzt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Strahlungs-Heizelementes, bei dem ein als Drahtwendel (21) ausgebildeter elektrischer Heizwiderstand auf einem Isolierträger (209) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel (21) bei der Herstellung des aus einer Fasermasse geformten Isolierträgers (20) teilweise in Erhebungen (24) der Isolierträgeroberfläche eingedrückt wird, solange diese noch verformbar sind, und anschließend der Isolierträger (20) gehärtet bzw. getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel nur über einen Teil ihrer Höhe in den Isolierträger so weit eingedrückt wird, daß das Innere der Drahtwendel von Isoliermaterial weitgehend frei gelassen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede eingebettete Windung der Drahtwendel nur bis zu der Hälfte ihres Umfangs eingebettet wird und der übrige Bereich ihres Umfangs frei gelassen wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendeln vor der Einbettung in den Isolierträger (20) oval geformt werden.

5.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Isolierträgers (20) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (23) des Isolierträgers ( 20) mit einer gut abstrahlenden Beschichtung versehen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierträger (20) aus einer Fasermasse hergestellt wird, die nach dem Trocknen eine pappartige Struktur hat.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Anschlüsse der Drahtwendeln bei der Herstellung des Isolierträgers durch dessen noch weiches Material hindurchgedrückt werden.