DE2823059A1 - Temperaturfuehlvorrichtung, insbesondere fuer geraete zur erwaermung oder erhitzung von nahrungsmitteln - Google Patents
Temperaturfuehlvorrichtung, insbesondere fuer geraete zur erwaermung oder erhitzung von nahrungsmittelnInfo
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Description
GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady,
New York 12305 (USA)
Temperaturfühlvorrichtung,insbesondere für Geräte zur Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln
Die Erfindung betrifft eine Temperaturfühlvorrichtung, insbesondere für Geräte zur Erwärmung oder Erhitzung von
Nahrungsmitteln, mit einem auf einen isolierenden Kern aufgewickelten temperaturempfindlichen Widerstandsdraht,
der durch eine Abdeckung nach außen hin geschützt ist.
Elektrische Temperaturfühlvorrichtungen, die eine als Funktion der Temperatur veränderliche Widerstandskennlinie
aufweisen, werden häufig in Geräten zur Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln zur Überwachung des
Erwärmungsvorganges eingesetzt. Die Änderungen des elektrischen Widerstandes können durch geeignete Schaltungseinrichtungen in elektrische Steuer- und/oder Anzeigesignale
umgeformt werden. Es ist notwendig, daß diese Vorrichtungen eine gute thermische Ansprechkennlinie
aufweisen, so daß sie den in den Nahrungsmittel-Erwärmungsoder Erhitzungsgeräten auftretenden Erwärmungs- und Abkühlungsperioden
eng folgen und in Abhängigkeit von den auftretenden Temperaturänderungen genaue Widerstandsänderungen
ergeben. Eine andere wünschenswerte Eigenschaft besteht darin, daß die Vorrichtungen eine ausreichende
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mechanische Festigkeit aufweisen, so daß sie in den Heizoder Erwärmungskammern für die Nahrungsmittel befestigt
werden können.
Eine bekannte Temperaturfüllvorrichtung ist der Perlthermistor
. Das Gerät besteht aus einer Perle aus einem halbleitenden Material, welches einer negativen Temperaturkoeffizienten
des Widerstandes aufweist. Die Perle ist zwischen zwei geraden Drahtleitern derart angeordnet, daß
der Widerstand zwischen den beiden Drahtleitern mit zunehmender Temperatur abnimmt. Wegen der Masse des ganzen
Körpers weist das Gerät keine thermische Ansprechkennlinie auf, die dazu geeignet ist, schnell aufeinanderfolgenden
Heiz- und Kühlperioden genau zu folgen. Außerdem kann eine derartige Vorrichtung nicht in einem Gerät zur Erwärmung
oder Erhitzung von Nahrungsmitteln angeordnet werden.
Es gibt in der Praxis eine Anzahl unterschiedlicher Temperaturfühlvorrichtungen, die mit einem Fühlglied in
Gestalt eines temperaturempfindlichen Widerstandsdrahtes ausgerüstet sind, welcher auf einen isolierenden Kern aufgewickelt
ist, wobei nach außen hin eine Abdeckung vorge- ' sehen ist. Dabei ist es gebräuchlich, den Draht dadurch
elektrisch zu isolieren, daß er mit einem isolierenden Material,wie einem hitzebeständigen Pulver oder einem
keramischen Zement beschichtet oder in diesem Material eingebettet wird. Bei Vorrichtungen, die auf ein gutes
thermisches Ansprechvermögen ausgelegt sind, ergibt dieser Aufbau aber keine ausreichende Isolation. Es hat sich herausgestellt,
daß es bisher keine Temperaturfühlvorrichtung dieser Art gibt, welche die erwähnten Eigenschaften guten
thermischen Ansprechvermögens und ausreichender mechanischer Festigkeit mit den Eigenschaften des temperaturempfindlichen
Widerstandes derart optimal verbindet, daß sie für Geräte
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zur Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln, wie Toastgeräten
oder dgl. verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine elektrische Temperaturfüllvorrichtung zu schaffen, die ein rasches
thermisches Ansprechvermögen und eine verhältnismäßig große Widerstandsänderung in Abhängigkeit einer Temperaturänderung
aufweist und zur Verwendung in Geräten zur Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln geeignet ist.
Dabei soll die Temperaturfüllvorrichtung über eine verhältnismäßig
große mechanische Festigkeit verfügen, so daß sie in der Erwärmungs- oder Erhitzungskammer des Gerätes
angeordnet werden kann und dort den bei freiliegendem Einbau auftretenden starken Beanspruchungen wiederstehen
kann. Die Temperaturfühlvorrichtung soll außerdem einen verhältnismäßig einfachen und billigen Aufbau aufweisen
und beispielsweise bei Toastgeräten oder dgl. unmittelbar an dem Träger für die Nahrungsmittel derart befestigt
werden können, daß sich eine enge und gleichmäßige thermische Kopplung mit den zu erwärmenden Nahrungsmitteln ergibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Temperatur fühlvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß
der Widerstandsdraht schraubenförmig auf einen länglichen Kern eines Isoliermateriales geringer Masse aufgewickelt
ist und auf den drahtbewickelten Kern eine dünnwandige Hülse aus einem elektrischen Isoliermaterial mit extrem
kleinem Zwischenraum zwischen der Hülse und dem schraubenförmig gewickelten Draht aufgezogen ist und daß die
isolierende Hülse durch ein dünnwandiges Rohr aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und guter mechanischer
Festigkeit mit extrem kleinem Zwischenraum zwischen dem Rohr und der Hülse umschlossen ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Temperaturfühlvorrichtung
die Gestalt eines länglichen, röhrenförmigen Gebildes in U-Form auf, das einen mittigen Kern aus einem
Isoliermaterial geringer Masse enthält, etwa aus Fieberglas (Glasfasermaterial) auf den der temperaturempfindliche
Widerstandsdraht schraubenförmig aufgewickelt ist. Das Material aus dem der Widerstandsdraht besteht, hat vorteilhafterweise
einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand und einen solchen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes,
daß sich in Abhängigkeit und der Temperaturänderungen starke elektrische Signale ergeben. Ein geeignetes
Material mit diesen Eigenschaften ist eine Legierung aus
70 % Nickel und 30 % Eisen. Die dünnwandige Hülse aus elektrischem Isoliermaterial besteht etwa aus Polytetrafluoräthylen
(TFE Teflon) und ist satt sitzend auf den drahtbewickelten Kern aufgezogen. Auf die Isolierhülse
selbst ist dann das dünnwandige äußere Rohr satt sitzend aufgebracht, das aus einem Material mit guten thermischen
und mechanischen Eigenschaften, wie etwa Aluminium,besteht.
Durch diesen Aufbau werden eine hervorragende und schnelle thermische Leitfähigkeit in Radialrichtung zwischen dem
äußeren Rohr und dem Widerstandsdraht, sowie eine verhältnismäßig kleine Wärmesenke für die zugeführte Wärmeenergie
erzielt. Andererseits sind aber eine gute elektrische Isolation des temperaturempfindlichen Drahtes und eine
verhältnismäßig große mechanische Festigkeit der ganzen Vorrichtung gewährleistet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Toastgerät mit einer Temperaturfühlvorrichtung gemäß der Erfindung, in perspektivischer Darstellung,
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Fig. 2 das Toastgerät nach Fig. 1, geschnitten längs der
Linie H-II der Fig. 1 in der Draufsicht unter Veranschaulichung des Geräteumrisses in gestrichelten
Linien,
Fig. 3 die Temperaturfühlvorrichtung des Gerätes nach Fig. 1 in der Draufsicht,
Fig. 4 die Temperaturfühlvorrichtung nach Fig. 3, geschnitten längs der Linie IV-IV der Fig. 3 in einer
Seitenansicht, im Ausschnitt und in einem anderen Maßstab und
Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Temperatur bei der
Temperaturfühlvorrichtung nach Fig. 3.
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In Fig. 1 ist perspektivisch ein Toastgerät 1 dargestellt, das mit einer neuen elektrischen Temperaturfühlvorrichtung
ausgerüstet ist. Das Toastgerät 1 ist nach Art einer Backröhre mit einer einzigen Toastkammer ausgebildet; es läßt
sich vielseitig zum Backen und Dünsten zusätzlich zum Toasten von einen oder mehreren Brotschnitten verwenden. Das dargestellte
Toastgerät dient insbesondere zur Erläuterung der Erfindung; die neue Temperaturfühlvorrichtung kann
naturgemäß bei einer Vielzahl unterschiedlicher Toastgeräte sowie auch bei anderen Geräten zur Erwärmung ader
Erhitzung von Nahrungsmitteln Verwendung finden.
Das dargestellte Toastgerät weist linke und rechte Seitenwände 3 bzw. 5, eine Rückwand 7, eine Deck- und eine Bodenwand
9 bzw. 11 sowie eine herausschwenkbare Tür 13 auf, die in der geöffneten Stellung dargestellt ist. Das zu erwärmende
Nahrungsmittelgut liegt auf Trägerrostdrähten 15. Die Erwärmung erfolgt durch parallel zueinander angeordnete
Stabheizkörper 17, von denen zwei untere Stabheizkörper im Bodenbereich der Toastkammer und zwei obere Stabheizkörper
im oberen Bereich der Toastkammer vorgesehen sind, wobei die letztgenannten Stabheizkörper in der Zeichnung
nicht veranschaulicht sind.
Die neue Tempera turf ülilvorrichtung 19 ist ein längliches, röhrenförmiges Gebilde, das U-förmig gestaltet und an der
Unterseite der Trägerrostdrähte 15 befestigt ist, wie dies
insbesondere aus der Querschnittsdarstellung der Fig. 2 zu entnehmen ist. Dadurch ergibt sich eine feste thermische
Ankopplung an das Brot oder das andere Nahrungsmittelgut, welches auf die Trägerrostdrähte 15 aufgelegt ist. Die
Temperaturfühlvorrichtung 19 weist zwei in Fig. 3 dargestellte Anschlußstifte 21 auf, die in einen Stecksockel 23
eingesteckt werden können, so daß die Temperaturfühlvorrichtung in Abhängigkeit der Temperatur stromdurchflossen
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ist. Wie im einzelnen noch erläutert werden wird, ist die Temperaturfühlvorrichtung 19 derart aufgebaut, daß sie
ein rasches thermisches Ansprechvermögen aufweist; sie verfügt über einen Widerstand, dessen Größe und Temperaturkoeffizient
verhältnismäßig hoch sind, so daß sich in Abhängigkeit von Temperaturänderungen starke elektrische
Signale ergeben. Außerdem verfügt die Temperaturfühlvorrichtung 19 über die für die Befestigung und Verwendung in
einer Nahrungsmittelheizkammer notwendige mechanische Festigkeit. Die Temperaturfühlvorrichtung 19 kann im übrigen
in allen Temperaturfühleinrichtungen oder -schaltungsanordnungen
verwendet werden, welche die Erzeugung elektrischer Signale in Abhängigkeit der Temperatur erfordern.
In den Fig. 3, 4 ist der Aufbau der Temperaturfühlvorrichtung
19 im einzelnen dargestellt. Sie weist einen mittigen
Kern 25 aus einem Isoliermaterial geringer Masse, wie etwa Fiberglas auf,· auf den in Gestalt einer Schraube 27
ein temperaturempfindlicher Widerstandsdraht aufgewickelt ist, der aus einem Material besteht, dessen elektrischer
Widerstand eine im wesentlichen lineare Funktion der Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches
ist. Ein besonderes geeignetes Material dafür ist eine aus 70% Nickel und 30% Eisen bestehende Legierung. Dieses Material
verfügt über einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und weist einen der höchsten Widerstandswerte
sowie der größten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bei derartigen Materialien auf. Ein anderes geeignetes
Material mit ähnlichen Eigenschaften ist Wolfram. Die Endteile der Schraube 27 sind freiliegend; sie bilden
die Anschlußstifte 21.
Auf die Schraube 27 ist satt anliegend eine dünnwandige Hülse aufgepaßt, deren Wandstärke in der Größenordnung von
0,25 mm oder weniger beträgt und die aus einem elektrischen
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Isoliermaterial hoher dielektrischer Festigkeit besteht, wie es etwa unter dem Handelsnamen "TFE Teflon" bekannt
ist. Ein anderes geeignetes Isoliermaterial ist unter dem Handelsnamen "Kapton" bekannt. Auf die Hülse 29 ist eine
dünnwandige Metallröhre 31 satt anliegend aufgezogen, die etwa aus Aluminium oder Kupfer besteht und zusätzlich zu
ihrer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit die Vorrichtung mit einer gewissen mechanischen Festigkeit versieht. Es
ist wesentlich, einen sehr kleinen Abstand zwischen der isQlierhülse 29 und der Schraube 27 sowie zwischen der
Hülse 29 und dem Metallrohr 31 vorzusehen, und zwar in der Größenordnung von 0,13 mm und weniger, um damit einen
Wärmeweg geringen Wärmewiderstandes von der Außenfläche des Rohres 31 zu dem von der Schraube 27 aufgewickelten
Widerstandsdraht zu erzielen.
Bei einer Ausführungsform der neuen Temperaturfühlvorrichtung
beträgt die Gesamtlänge der Temperaturfühlvorrichtung 19 etwa 190,5 mm, während der Abstand der Schenkel des
U sich auf etwa 12,7 mm beläuft. Die Anschlußstifte 21 sind jeweils etwa 6,4 mm lang. Der mittige Kern 25 weist
einen Durchmesser von ca. 0,86 mm auf, während der Durchmesser des Widerstandsdrahtes der Schraube 27 0,05 mm beträgt.
Die Drahtschraube 27 ist straff auf den Kern 25 aufgewickelt,und zwar mit einer Steigung von etwa 4. Der
temperaturempfindliche Widerstandsdraht wird bei der Herstellung auf eine fortlaufende Länge des mittigen Kernes
mittels einer üblichen Wickelmaschine aufgewickelt. Der schraubenförmig bewickelte Kern 25 wird sodann der Länge
nach abgeschnitten, worauf auf jedes Stück eine Isolierhülse 29 und ein Metallrohr 31 aufgezogen werden und
schließlich das Ganze U-förmig abgebogen wird. Die Isolierhülse 29 weist eine Wandstärke von 0,15 mm auf, wobei der
Luftspalt zwischen der Isolierhülse 2 9 und der Schraube etwa 0,06 mm beträgt. Das Metallrohr 31, das mit Rücksicht
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auf eine größere Wärmeabsorption vorzugsweise eine schwarze Farbe aufweist hat eine Wandstärke von 0,1 mm, wobei der
Luftspalt zwischen dem Rohr 31 und der Isolierhülse 29 0,06 mm beträgt, so daß sich insgesamt ein Außendurchmesser
der Vorrichtung von 1,7 mm ergibt. Selbstverständlich dienen diese Abmessungsangaben lediglich zu
Zwecken der Erläuterung der Erfindung; sie sind nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen. Auch kann die Vorrichtung
naturgemäß anders gestaltig geformt sein, um die notwendigen Eigenschaften hinsichtlich des Widerstandes
und der thermischen Ankopplung zu erzielen; in Frage kommen etwa "W"- oder "0"-Formen.
Die kleinen Luftspalte von 0,06 mm können noch dadurch reduziert werden, daß bei der Herstellung der Vorrichtung
eine Kümper- oder Eindrückverfahren verwendet wird. Bei dieser Herstellungsart werden lange Längen des ganzen
Gebildes hergestellt, beispielsweise in der Größenordnung von ca. 6m. Diese Längen werden sodann radial,beispielsweise
mittels eines den Durchmesser verringernden Ziehwerkzeugesι
zusammengedrückt, um das Metallrohr 31 und die Isolierhülse 29 an ihren einander benachbarten gekrümmten
Oberflächen in satte Berührung zu bringen und gleichzeitig eine innige Berührung zwischen der Isolierhülse 29 und der
gekrümmten Oberfläche der Drahtschraube 27 herzustellen. Die Gebilde werden sodann auf Länge abgeschnitten, an den
Enden zur Ausbildung der Anschlußstifte 21 abisoliert und schließlich gebogen.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren zur Verringerung der Luftspalte unter Verwendung eines Walz- oder Rollverfahrens
kann die in Form gebogene Vorrichtung axial,etwa mittels eines Druckrollenpaares zusammengedrückt werden,
um dadurch ein flaches Gebildes zu schaffen, das in der
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Heizkammer derart angeordnet wird, daß seine abgeflachten oder ebenen Flächen rechtwinklig zu der Strahlungsrichtung
der Wärmeenergie verlaufen. Das Metallrohr 31 und die Isolierhülse 29 werden dabei längs zweier Paare benachbarter
ebener Flächen in satte Berührung gebracht, während andererseits die Isolierhülse 29 und die Widerstandsdraht-Schraube
27 längs ihrer beiden Paare benachbarter ebener Flächen ebenfalls einander satt berührend zusammengeführt
werden.
Bei der Erzielung guter thermischer, elektrischer und mechanischer Eigenschaften der Temperaturfühlvorrichtung
bestehen an sich miteinander im Widerstreit stehende Anforderungen.
Vom Standpunkt der thermischen Eigenschaften aus ist es notwendig, ein gutes thermisches Ansprechvermögen
zu haben, so daß Temperaturänderungen dicht und genau verfolgt werden. Dies erfordert eine Vorrichtung mit
einer guten thermischen Leitfähigkeit zwischen der Wärmequelle und dem temperaturempfindlichen Glied. Außerdem
führt dies zu einer Temperaturfühlvorrichtung verhältnismäßig geringer Masse, die deshalb hinsichtlich der Speicherung
von Wärmeenergie im wesentlichen unwirksam ist. Auf der anderen Seite stehen die Größe und Masse der Teraperaturfühlvorrichtung
normaler Weise in direkter Abhängigkeit von deren Möglichkeit, den Widerstand zur Verfügung zu
stellen, wie er zur Erzeugung starker elektrischer Signale als Funktion der Temperatur erforderlich ist und außerdem
eine gute elektrische Isolation zu erzielen. In ähnlicher Weise ist die mechanische Festigkeit der Vorrichtung normalerweise
von ihrer Größe und Masse abhängig. Der neuartige Aufbau der beschriebenen Temperaturfühlvorrichtung bietet
einen Ausgleich zwischen diesen unterschiedlichen Anforderungf so daß sich optimale thermische, elektrische und mechanische
Eigenschaften ergeben und die Vorrichtung außerdem in her-
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vorragendem Maße zum Einsatz bei Geräten zur Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln geeignet machen.
Wegen des dünnwandigen Aufbaus der Einzelteile und des
außerordentlich kleinen Luftspaltes der diese voneinander sowie von der Drahtschraube 27 trennt, ergibt sich ein
radialer Weg geringen Wärmewiderstandes von der erwärmten Oberfläche des Metallrohres 31 durch das Metallrohr und
die Isolierhülse 29 hindurch zu der aus Widerstandsdraht bestehenden Schraube 27. Bei der betrachteten Ausführungsform beträgt die Gesamtlänge dieses Weges etwa 0,38 mm.
Außerdem besteht der Fiberglaskern 25 aus einem Material geringer Masse; er weist einen so kleinen Durchmesser auf,
daß er kaum als Wärmesenke wirkt. Dieser Aufbau gestattet es " dem temperaturempfindlichen Draht exakt auf rasche
Temperaturänderungen mit sehr geringer Verzögerungszeit anzusprechen, die in der Größenordnung von einer Sekunde
oder weniger liegt.
Der Widerstand der Drahtschraube 27 ist durch den spezifischen Widerstand des Drahtes und die Abmessungen der Schraube
bestimmt. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel weist der Nickel-Eisendraht einen Widerstand von 30^O-/ft, d.h.
von ca. 9,16-O pro Meter auf. Bei einem Durchmesser von
0,05 mm ergibt sich ein Gesamtwiderstand bei Raumtemperatur von etwa 250 -Ώ· , wenn der Draht mit einer Steigung von
etwa vier auf einen Kern von 190 mm und einem Durchmesser von 0,86 mm aufgewickelt ist. Dieser Widerstand nimmt im
wesentlichen linear mit der Temperatur zu, wobei er bei 260° C einen Wert von 525-£X erreicht, wie dies in dem
Diagramm gemäß Fig. 5 veranschaulicht ist.
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Claims (8)
1.)Temperaturfühlvorrichtung, insbesondere für Geräte zur
"—S
Erwärmung oder Erhitzung von Nahrungsmitteln, mit einem auf einen isolierenden Kern aufgewickelten temperaturempfindlichen
Widerstandsdraht, der durch eine Abdeckung nach außen hin geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Widerstandsdraht schraubenförmig auf einen länglichen Kern (25) eines Isoliermateriales geringer Masse aufgewickelt
ist und auf den drahtbewickelten Kern (25) eine dünnwandige Hülse (29) aus einem elektrischen Isoliermaterial
mit extrem kleinem Zwischenraum zwischen der Hülse (29) und dem schraubenförmig gewickelten Draht
aufgezogen ist und daß die isolierende Hülse (29) durch ein dünnwandiges Rohr (31) aus einem Material mit guter
Wärmeleitfähigkeit und guter mechanischer Festigkeit mit
extrem kleinem Zwischenraum zwischen dem Rohr (31) und der Hülse (29) umschlossen ist.
2. Temperaturfühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie unter Anwendung eines Kumpeln- - oder Einziehverfahrens hergestellt ist.
3. Temperaturfühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der kleinen Zwischenräume kleiner als 0,13 mm ist.
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ORIGINAL INSPECTED
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4. Temperaturfühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die isolierende Hülse (29) eine Wandstärke von weniger als 0,25 mm aufweist.
5. Temperaturfühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der temperaturempfindliehe Widerstandsdraht
aus einer 70 % Nickel-30% Eisen-Legierung besteht.
6. Temperaturfühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial der Hülse (29) Polytetrafluoräthylen (TFE Teflon) ist.
7. Temperaturfühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (31) aus Aluminium besteht.
8. Temperaturfühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (25) aus
Fiberglas (Glasfasermaterial) besteht.
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