DE2743880A1 - Heizeinrichtung mit einem optimierten heizelement aus kaltleiter-material - Google Patents

Heizeinrichtung mit einem optimierten heizelement aus kaltleiter-material

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen ^
Berlin und München -J. VPA 77 ρ 7 15 2 BRD
Heizeinrichtung mit einem optimierten Heizelement aus Kaltleiter-Material.
Die Erfindung bezieht sich auf,.eine Heizeinrichtung mit einem scheibenförmigen Heizelement aus Kaltleiter-Material, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
In Druckschriften des Standes der Technik werden seit ca. zwei Jahrzehnten Heizeinrichtungen beschrieben, die ein u.a. scheibenförmiges Heizelement aus Kaltleiter-Material haben. Bei Kaltleiter-Material handelt es sich um eine Keramik auf der Basis des Bariumtitanats, die elektrische Leitfähigkeit mit einem nahezu sprunghaften Anstieg des spezifischen Widerstands bei der sogenannten Curie-Temperatur hat. Dieses sprunghafte Verhalten des Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) war der Anlaß für zahlreiche Vorschläge, mit Kaltleiter-Material Heizeinrichtungen zu bauen, die materialspezifisch und ohne die Verwendung zusätzlicher galvanischer Regelkontakte eine Abschalt-Regeleigenschaft haben. Unter Abschalt-Regeleigenschaft ist ein Verhalten zu verstehen, bei dem der elektrische Widerstandsanstieg des Kaltleiter-Materials bei der Curie-Temperatur dazu führt, daß im Falle einer Erwärmung des Kaltleiter-Materials auf Temperaturwerte höher als die Curie-Temperatur der durch das Material fließende elektrische
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Strom in seiner Stärke stark zurückgeht. Dies kommt einer Verminderung der im Kaltleiter-Material erzeugten Jou]*1 sehen Wärme υ·Ι und damit einem Rückgang der abgebbaren Heizleistung gleich. Man hat schon -vielfach die Verwendung des Kaltleiter-Materials für Heizeinrichtungen, wie z.B. in einem Lötkolben (DBP 1 690 621) vorgeschlagen.
Trotz der zahlreichen, alles andere als spekulative Vorschläge und Überlegungen der Fachwelt und obwohl geeignetes Material ebenfalls mindestens seit mehr als einem Jahrzehnt zur Verfügung stand sowie trotz andauernden Bestehens eines Bedürfnisses nach Heizeinrichtungen, die eine absolut sichere Abschalt-Automatik gegen Überhitzung haben, sind keine tatsächlich realisierten Vorschläge für Heizeinrichtungen mit größerer spezifischer Heizleistung von mehr als 50 Watt pro ι
leiter-Scheibe bekanntgeworden.
2
stung von mehr als 50 Watt pro cm des Querschnitts einer KaIt-
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diejenigen technischen Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe Heizeinrichtungen derartiger Leistung mit Kaltleiter-Material realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Heizeinrichtung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
In rückschauender Betrachtung, d.h. mit der Kenntnis der Erfindung, ist es scheinbar überraschend, daß diese erfindungsgemäße Lösung nicht schon viel früher angegeben worden ist. Macht man sich aber ein genaues Bild von den der Erfindung tatsächlich zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhängen, kommt man zwangsläufig zu der Erkenntnis, daß mit der Erfindung ein sprunghafter Fortschritt auf dem Gebiet der betriebssicheren Haushalts-Geräte erreicht worden ist. Anwendungsgebiete der Erfindung
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sind insbesondere Haushalts-Kleingeräte wie Wasserkochtöpfe, Tauchsieder, Kaffeemaschinen, Eierkocher u.dergl. Alle diese Geräte des täglichen Gebrauchs können Ursache großer Brandschäden werden, wenn sie nach dem Verkochen des Wassers wegen fehlender Wärmeabnahme sich auf Temperaturen erhitzen, die nicht nur das Gerät zerstören,sondern auch Brandursache sein können.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind mit der Erfindung eine Anzahl von Einzelproblemen zu bewältigen, die in gegenseitigem Zusammenhang miteinander stehen. Zum einen soll eine wie erfindungsgemäße Heizeinrichtung auf möglichst engem Raum bei Anschluß an Netzspannung ausreichend hohe Heizleistung bereitstellen, nämlich damit ein brauchbarer kurzzeitiger Heizbetrieb ermöglicht ist. Dem läuft geradezu die Forderung zuwider, daß nach Verkochen der letzten Flüssigkeit, insbesondere Wassers, keine derartige Heizleistung weiterhin erzeugt wird, die zu Temperaturen mit Brandauslösung führen könnte. Das erfindungsgemäße Gerät muß also eine optimale Ausnutzung der materialspezifischen Regeleigenschaft des Kaltleiters haben. Dazu gehört aber wiederum auch, daß möglichst optimale Bemessungen einerseits der geometrischen Abmessungen der Kaltleiterscheibe und andererseits der elektrischen Eigenschaften des Materials sowie dazu passende Materialauswahl erreicht werden.
Die scheinbar plausibel erscheinenden, gemäß einem Merkmal der Erfindung angegebenen Dickenabmessungen der Scheibe sind abgestimmt auf den wie angegebenen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstandes des Kaltleiter-Materials - gemessen bei der Curie-Temperatur - und zwar derart, daß für optimale Bemessung bei größeren Dickenabmessungen kleinerer spezifischer Widerstand (und umgekehrt) vorzuziehen ist. Dazu muß erfindungsgemäß das Kaltleiter-Material eine Curie-Temperatur haben, deren Wert wenigstens 500K höher als die vorgegebene Abschalt-Temperatur ist. Das Minimum der Curie-Temperatur beträgt damit bei Geräten für das Heizen und Verdampfen von Wasser - z.B. bei Kaffeemaschinen und Eierkochern, bei
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denen die Verdampfung gewollterweise erfolgt, und bei Wasserkochtöpfen, bei denen das vollständige Verdampfen des Wassers der Beginn des Gefahrenbereiches ist - (normale Luftdruckverhältnisse vorausgesetzt) wenigstens 15O0C Für diesen Anwendungsfall sind Curie-Temperaturen zwischen 200 und 240°C zu bevorzugen. Die obere Grenze der Curie-Temperatur ist vor allem durch die jeweilige Brandgefahr gegeben.
Die erfindungsgemäße Abstimmung von Dickenabmessung, spezifischem elektrischen Widerstand und Höhe der Curie-Temperatur führt dazu, eine wie gefordert hohe spezifische Wärmeleistung von mehr als
2
50 Watt pro cm zu erreichen. Der Scheibenquerschnitt ist durch die Fläche gegeben, die senkrecht zur Dickenrichtung der Scheibe ist, d.h. bei einer kreisrunden Scheibe ist dies die kreisförmige Querschnittsfläche.
Zur Erfindung gehört aber noch die weitere Bedingung, daß die Joule1 sehe Heizleistung der Scheibe von beiden Scheibenoberflächen in quantitativ gleichem Maße entnommen wird. Die Gleichheit der Wärmeabnahme von beiden einander gegenüberliegenden Scheibenoberflächen hat Vorrang vor guter Wärmeableitung.
Alle die erflndungsgemäßen Maßnahmen bringen hohe elektrische Heizleistung aus Kaltleiterscheiben minimal großen Volumens, und zwar bei optimalem Regelverhältnis von beispielsweise 8:1. Unter dem Regelverhältnis ist zu verstehen, daß die zuvor für das gewünschte Aufheizen erzeugte Wärmeleistung bei weiterem Temperaturanstieg über die Abschalt-Temperatur hinaus auf den achten Teil abfällt. Dies bewirkt, daß eine nur noch mäßige und vor allem gefahrlose Temperaturerhöhung über die Abschalt-Temperatur hinaus erfolgt.
Für den an den theoretischen Grundlagen der Erfindung eingehender interessierten Fachmann sei nachfolgend noch das in Fig.1 beigefügte Kurvendiagramm erläutert, das für einen Kaltleiter mit einer Curie-Temperatur von 22O0C aufgenommen worden ist und der sich im Wasser^mit der (Abschalt-temperatur von 1000C befindet. Mit a ist die typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Kaltleiter-
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.6·
Materials wiedergegeben. Besonders hervorgehoben ist der Spannungswert 220 Volt. Mit b ist die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Kaltleiterscheibe mit wie angegebenem spezifischen Widerstand wiedergegeben. In dieser Kurve b sind bereits die Abmessungen mit einer Dicke im wie erfindungsgemäß angegebenen Bereich enthalten. Mit c ist die Leistungs-Spannungs-Kennlinie der zugrunde gelegten, erfindungsgemäß bemessenen Kaltleiterscheibe wiedergegeben. Optimale Verhältnisse liegen dann vor, wenn wie in der Darstellung der Fig.1 das Maximum des Stromes bei einem Spannungswert liegt, der etwa 70% der vorgegebenen Betriebsspannung, z.B. der Netzspannung 220 Volt, beträgt.
Die Fig.2 und 3 geben Anwendungsbeispiele der Erfindung an. Fig.2 zeigt einen unter Anwendung der Erfindung gebauten Eierkocher, der nach dem Prinzip des restlosen Verdampfens des zuvor eingefüllten Wassers arbeitet. Mit 2 ist die erfindungsgemäß bemessene Scheibe aus Kaltleiter-Material bezeichnet. Sie befindet sich zwischen zwei Anteilen 11 und 12 eines, zur Wärmeleitung dienenden Körpers 1, an dessen einer Oberfläche 41 die erzeugte Elektrowärme abzugeben ist. Mit 141 sind Anteile eines Behälters angedeutet, zu dem die Oberfläche 41 eine beheizte Bodenfläche ist. Mit 21 und 22 sind die nach beiden Seiten Wärme abgebenden Oberflächen der Kaltleiterscheibe 2 bezeichnet. Diese Flächen 21 und 22 haben Elektrodenbelegungen zum Anschluß der ZufUhrungsleitungen 211. Zwischen diesen Flächen 21 und 22 einerseits und den zur Wärme-Aufnahme in die Anteile 12 und 11 vorgesehenen Flächen 31 und 32 sind je eine Schicht 212, 222 mit elektrisch isolierender, jedoch wärmeleitender Eigenschaft vorhanden. Als Materialien hierfür sind z.B. Be-Oxid, Al-Oxid sowie auch Silikonharz geeignet. Der Flansch 13 des Anteils 11 des Körpers 1 hat gut wärmeleitende Verbindung mit der Fläche 14 des Anteils 12. Außerdem ist vorgesehen, daß zwischen den Anteilen 11 und 12 eine Schraubgewinde-Verbindung oder ein Preßsitz vorhanden ist.
Vorteilhaft ist es, zwischen den Flächen 31 und/oder 32 einer-
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seits und der elektrisch isolierenden Schicht 212 und/oder 222 andererseits eine Schicht 412 bzw. 422 aus einem Material mit duktiler Eigenschaft vorzusehen, das einen gewissen Anlagedruck und Druckausgleich zwischen der Kaltleiterscheibe und den gegenüberliegenden Flächen 31 und 32 bewirkt. Als Material hierfür eignen sich Blei, Blei-Indium, Indium, Kadmium-Indium, Kadmium- Ind ium- Bl e i .
Fig.3 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung als Heizeinrichtung eines Durchlauferhitzers, wie er z.B. in einer Kaffeemaschine Verwendung findet.
Mit 2 ist wieder die Kaltleiterscheibe mit ihren Wärme abgebenden Flächen 21 und 22 bezeichnet. Auf diesen Flächen befinden sich die Elektrodenbelegungen. Die beim vorangehenden Beispiel mit 212 und 222 bezeichneten Schichten aus elektrisch isolierendem, Jedoch gut wärmeleitendem Material sind hier mit 62 und 162 bezeichnet.
Mit 52 und 53 sind zwei Behälter des DurchlauferhitzersS1 bezeichnet. Diese Behälter 52 und 53 haben zur Wärme-Aufnähme vorgesehene Flächen 61 und 161, mit denen sie der Kaltleiterscheibe 2 zugewandt an den elektrisch isolierenden Schichten 62 und 162 anliegen. Mit 54 und 154 sind Zulauf-Leitungen und mit 55 und 155 sind Ablauf-Leitungen für die im Durchlauferhitzer 1 zu erhitzende Flüssigkeit bezeichnet. Mit 56 ist auf Rippen hingewiesen, die zur besseren Wärmeübertragung an die in den Behältern 52 und 53 strömende Flüssigkeit dienen.
Gemäß der Erfindung sind die beiden Behälter 52 und 53 identisch aufgebaut und werden in gleicher Weise von der Flüssigkeit durchströmt, so daß jeder der Behälter 52, 53 der Kaltleiterscheibe 2 eine gleich große Wärmemenge, und zwar von der jeweiligen Scheibenoberfläche 21 bzw. 22 her entzieht.
Beide Anwendungen enthalten nicht nur eine Kaltleiterscheibe mit wie erfindungsgemäßen Abmessungen, sondern auch beide be-
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schriebenen Geräte weisen das Merkmal auf, daß praktisch quantitativ gleich große Wärmeabfuhr auf beiden Seiten der Kaltleiterscheibe erfolgt.
5 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims (5)

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1. Heizeinrichtung mit einem scheibenförmigen Heizelement aus Kaltleiter-Material, das an Netzspannung von 220 YoIt zu betreiben ist und Abschalt-Regeleigenschaft hat, gekennzeichnet dadurch, daß für die Abgabe einer spezifi-
sehen Wärmeleistung von mehr als 50 Watt pro cm des Querschnitts der Scheibe (2) eine Dicke der Scheibe von 0,5 bis 2 mm bei einem spezifischen elektrischen Widerstand des Materials bei Curie-Temperatur und 2000 YoIt/cm zwischen _ = 1·10; Ohm·cm und ■< = 6*10 Ohm·cm vorgesehen ist, wobei als Kaltleiter-Material ein solches mit einer Curie-Temperatur ausgewählt ist, die wenigstens 5O0K höher als die vorgesehene Abschalt-Temperatur ist, und dadurch, daß auf beiden Seiten (21, 22 ) der Scheibe (2) gleich große Wärmeableitung vorliegt.
2. Anwendung einer Heizeinrichtung nach Anspruch 1 zum Aufheizen einer Flüssigkeit oder einer Mischung verschiedener Flüssigkeiten, wobei die Abschalt-Temperatur durch den Siedepunkt der Flüssigkeit bzw. der bei der höchsten Temperatur siedenden Komponente der Mischung gegeben ist.
3. Anwendung nach Anspruch 2 zum Heizen und Verdampfen von Wasser.
4. Anwendung nach Anspruch 3 in einem Eierkocher.
5. Anwendung nach Anspruch 3 in einer Haushalts-Kaffeemaschine.
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