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Elektrische Widerstandsheizeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung
mit mindestens einem Heizelement und einem mit dem Heizelement wärmeleitend verbundenen
und zur Wärmeübertragung eingerichteten Grundkörper.
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Insbesondere, wenngleich nicht ausschließlich, bezieht die Erfindung
sich auf Widerstansheizeinrichtungen dieses Aufbaus, wie sie für Getränkezubereitungsmaschinen
wie Kaffeemaschinen od. dgl. vorgesehen sind. Der Grundkörper steht dabei in wärmeleitender
Verbindung mit einer Abstellplatte, auf der das zubereitete Getränk warm gehalten
wird, und weist außerdem üblicherweise einen Wasserdruchlaufkanal auf, in dem das
Wasser zur Getränkezubereitung erhitzt wird.
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Bei (aus der Praxis) bekannten elektrischen Widerstandsheizeinrichtungen
der eingangs beschriebenen Gattung besteht das Heizelement aus einem Rohrheizkörper,
der mit einem plattenförmigen Grundkörper, ggfls. auch mit einem als metallisches
Rohr ausgeführten Wasserdurchlaufkanal zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung
verlötet bzw. verschweißt ist.
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Bei dieser bekannten Ausführungsform wird ein thermischer Wirkungsgrad
erreicht, der noch nicht voll befriedigt, insbesondere ist der Wärmeübergang vom
Heizelement zum Grundkörper verbesserungsbedürftig und wird ein erheblicher Teil
der erzeugten Wärme ungenutzt abgestrahlt, was lediglich zu einer unerwünschten
Erwärmung des Gerätegehäuses führt. Außerdem sind diese bekannten Widerstandsheizelemente
hinsichtlich Herstellung und Montage im Gerät verhältnismäßig aufwendig. Insbesondere
ist dabei nachteilig, daß eine Auslegung für unterschiedliche Abmessungen oder unterschiedlichen
Leistungsbedarf nur in der Weise möglich ist, daß sowohl Rohrheizkörper als auch
Wasserdurchlaufkanal jeweils gesondert für jede einzelne Aufgabe konstruiert und
gefertigt werden. Das macht die Anpassung an unterschiedliche Aufgaben umständlich
und kostenaufwendig. Eine Verringerung dieses Kostenaufwandes ist um so mehr anzustreben,
als die Haushaltsgeräte kleiner und mittlerer Leistung, bei denen gattungsgemäße
Heizeinrichtungen in der Hauptsache eingesetzt werden, regelmäßig in sehr beträchtlichen
Stückzahlen gebaut werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung
der vorstehend erläuterten Gattung anzugeben, die sich durch verbesserten thermischen
Wirkungsgrad auszeichnet und eine einfache, kostengünstige Herstellung und Montage
erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst und vor allem dadurch
gelöst, daß der Grundkörper aus zwei Profilabschnitten von L-förmigem Profil mit
Spann schenkel und Begrenzungsschenkel besteht, daß die Profilabschnitte miteinander
zugewandten Schenkel innenseiten angeordnet sind und einen Hohlraum umschließen
und daß die Heizelemente in dem Hohlraum angeordnet und zwischen den Spannschenkeln
verspannt sind. Durch die Verspannung des Heizelements bzw. der Heizelemente
zwischen
den Spannschenkeln der Profilabschnitte wird ein optimaler Wärmeübergang zu den
Spannschenkeln erreicht, deren den Heizelementen abgewandte Außenseiten Wärmedurchgangsflächen
darstellen und unmittelbar eine erwärmte Abstellfläche bilden oder mit einer solchen
in wärmeleitender Verbindung stehen können. Die an die Spann schenkel seitlich angeschlossenen
Begrenzungsschenkel schließen den Hohlraum, in dem die Heizelemente angeordnet sind,
seitlich ab, sodaß auch nach den Seiten abgegebene Wärme vom Grundkörper aufgenommen
wird. Der von den Profilabschnitten umschlossene Hohlraum ist lediglich an den Stirnseiten
offen, wo in einfacher Weise die Stromzuführungen für die Heizelemente eingeführt
werden können. Die Verspannung der Profilabschnitte kann auf unterschiedliche Weise,
beispielsweise durch an der Außenseite angelegte Spannbänder oder vorzugsweise durch
Spannschrauben erfolgen, die die Spannschenkel miteinander oder mit dem jeweils
benachbarten Begrenzungsschenkel des anderen Profilabschnitts verbinden. In jedem
Fall besteht -bis auf eine eventuell notwendige elektrisch isolierende Zwischenlage
- ein unmittelbarer wärmeleitender Kontakt zwischen den Wärmeabgabeflächen der Heizelemente
und den Spannschenkeln.
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Eine erfindungsgemäße Widerstandsheizeinrichtung läßt sich in einfacher
Weise dadurch herstellen, daß die Heizelemente zwischen die beiden Profilabschnitte
eingelegt und diese miteinander verspannt, beispielsweise verschraubt werden.
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Im Hinblick auf die Herstellung ist weiter wichtig, daß die Profilabschnitte
sich in sehr kostengünstiger Weise als in entsprechender Länge von durch Strangpressen
od.dgl.
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hergestellten Profilmaterial abtrennen lesen, wobei zugleich in einfacher
Weise die Möglichkeit besteht, Je nach der vorgesehenen Heizleistung und damit der
Anzahl der einzusetzenden Heizelemente die Länge der Profilabschnitte entsprechend
zu
wählen. Besonders zu bevorzugen ist eine Ausführungsform, bei der der Grundkörper
aus zwei gleichen Profilabschnitten besteht, die gegeneinander um 180° um die Profillängsrichtung
gedreht und zu einem Parallelepiped zusammengesetzt sind. Damit können aus einem
Strangpreßprofil Heizeinrichtungen verschiedenster Typen und Leistungen erstellt
werden. In jedem Fall ist zu bevorzugen, daß Spann- und Begrenzungsschenkel miteinander
einen rechten Winkel einschließen. Die Bemessung der Schenkel unter Berücksichtigung
der Dicke der Heizelemente usw.
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wird vorzugsweise so getroffen, daß die freiliegenden Außenflächen
aneinanderstoßender Schenkel miteinander bündig liegen, sodaß die Heizeinrichtung
insgesamt die Gestalt eines Quaders von rechtwinklig begrenztem Querschnitt hat
Der Querschnitt ist in aller Regel rechteckig,wobei die Breitseiten den durch die
Außenseiten der Spannschenkel gebildeten Wärmedurchgang sflächen entsprechen.
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Für die gegenseitige Zuordnung der Spann- und Begrenzungsschenkel
bestehen zwei Möglichkeiten. Einerseits können die Spann- stumpf vor die Begrenzungsschenkel
stoßen, wobei eine verhältniJmädg flache Bauweise resultiert, bei der die Trennfugen
zwischen den Profilabschnitten in den Wårmedurchgangsflächen verlaufen. Andererseits
besteht die wegen des Fehlens einer Trennfuge in der Wärmedurchgangsfläche häufig
zu bevorzugende Möglichkeit, daß die Begrenzungsschenkel stumpf vor die Spannschenkel
des jeweils anderen Profilabschnitts stoßen, von diesen also Uberfaßt werden, sodaß
die Trennfugen an den Seitenflächen der Heizeinrichtung liegen. In jedem Fall besteht
aufgrund dieser verschiedenen Anordnungen eine weitere Möglichkeit, auf der Grundlage
ein und desselben Profils hinsichtlich Abmessungen und elektrischer Leistung unterschiedliche
Ausführungen zu verwirklichen.
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Wird die Anordnung so getroffen, daß die Spannschenkel die Begrenzungsschenkel
des jeweils anderen Profilabschnitts überfassen, so empfiehlt es sich, daß zwischen
einem Spannschenkel und dem zugewandten Begrenzungsschenkel des anderen
Profilabschnittes
ein Spalt besteht, so daß der Abstand der Profilabschnitte durch die Heizelemente
bestimmt und diese folglich eindeutig zwischen den Spannschenkel verspannt sind.
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Vorzugsweise wird an der Innenseite der Spannschenkel ein über die
Innenseite vorstehendes und sich über die Länge der Profilabschnitte erstreckendes
Spannlager angeformt, das gleichsam eine längslaufende Erhebung darstellt, die an
den zugewandten Wärmeabgabeflächen der Heizelemente anliegt und die Spannkraft auf
diese überträgt. Die Höhe dieser Spannlager ist selbstverständlich zusammen mit
der Dicke der Heizelemente bei der Bemessungder Schenkellängen zu berücksichtigen,
so daß der vorgesehene Abstand zwischen den Spannschenkeln resultiert. Es empfiehlt
sich ferner, an der Innenseite der Spannschenkel an der dem Begrenzungsschenkel
abgewandten Seite des Spannlagers eine Anschlagleiste anzuformen, die im montierten
Zustand an der Innenseite des zugewandten Begrenzungsschenkels des jeweils anderen
Profilabschnitts anliegt und damit die gegenseitige Zuordnung der Profilabschnitte
in zu den Spannschenkeln paralleler und zu den Begrenzungsschenkeln senkrechter
Richtung sicher stellt.
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Wie erläutert ist der von den Profilabschnitten umschlossene Hohlraum
in der Regel stirnseitig offen. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, durch
an die Profilabschnitte angeformte Abschlußwände den Hohlraum an einer oder an beiden
Stirnseiten zu schließen. Dabei besteht allerdings in der Regel nicht mehr die Möglichekit
die Profilabschnitte von einem einheitlichen Profilmaterial abzutrennen.
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Damit eine flächige Anlage zwischen Heizelementen und Innenseiten
der Spannschenkel mit entsprechend gutem Wärmeübergang gewährleistet ist, empfiehlt
es sich, die Innenseiten der
Spannschehkel bzw. die Spannlager
an die Kontur der Heizelemente anzupassen. Grundsätzlich lassen sich alle üblichen
Heizelemente, insbesondere Rohrheizkörper üblicher Ausführung, im Rahmen der Erfindung
einsetzen. Insbesondere sieht die Erfindung jedoch vor, daß das Heizelement bzw.
die Heizelemente als sog. PTC-Elemente aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstandes bestehen. Solche PTC-Elemente haben üblicherweise
die Gestalt flacher Säulen mit zwei gegenüberliegenden, im wesentlichen planparallelen
Wärmeabgabeflächen und rundem oder polygonalem Grundriß, bestehen gewöhnlich aus
einem geeigneten Keramikmaterial, insbesonder auf Bariumtitanat-Basis, und haben
die Eigenschaft, daß sie sich in ihrer elektrischen Leistungsaufnahme gleichsam
selbst stabilisieren, weil der elektrische Widerstand in einem bestimmten Temperaturbereich
stark zunimmt. Der elektrische Anschluß dieser PTC-Elemente erfolgt üblicherweise
dadurch, daß die zwei gegenüberliegenden Flächen durch eine in geeigneter Weise
aufgebrachte Metallisierung kontaktiert und durch Anschlußelemente an eine Stromzuführung
angeschlossen werden. Hiervon ausgehend sieht die Erfindung in einer besonders zu
bevorzugenden Aus führungsform vor, derartige PTC-Elemente als Heizelemente einzusetzen,
wobei die Innenseiten der Spannschenkel bzw.die Spannlager dementsprechend eben
ausgeführt sind. Grundsätzlich können die PTC-Elemente in üblicher Weise einzeln
eingebaut und angeschlossen werden. In einer besonders vorteilhaften usfuhrungsform
bestehen jedoch die Anschlußelemente aus zwei im wesentlichen ebenen, an den Grundriß
der Anordnung der PTC-Elemente angepaßten Kontaktblechen, die mit den zwischengelegten
PTC-Elementen lose übereinandergelegt und randseitig elastisch durch Haltelemente
verbunden sind, welche die Außenseiten der Kontaktbleche überfassen. Die Halteelemente
können beispielsweise aus U-förmigen Spangen aus elastischem Draht oder in besonders
zu bevorzugender Ausführungsform aus ProfilleSten von U-förmigem Profil auSkeichelastischem
Material wie wärmeleitendem Silikonkautschuk bestehen.
Überdies
besteht die Möglichekit, die Außenseiten der Kontaktbleche mit je einer elektrischen
Isolierschicht zu versehen, die entweder durch Lackieren, Kaschieren usw fest aufgebracht
oder lose aufgelegt und von den Halteelementen überfaßt sein kann. Eine derartige
Anordnung von PTC-Heizelementen ist Gegenstand einer gleichzeitigen Patentanmeldung
der Anmelderin, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich zum Offenbarungsgehalt
der vorlgenden Patentanmeldung gemacht wird. Wird ein in dieser Weise aus PTC-Elementen
aufbebautes Heizelement eingesetzt, so empfiehlt es sich, daß die Innenseiten der
Spannschenkel zur Profillängsrichtung parallele Nuten zur Aufnahme der (die Kontaktbleche
zusammenhaltenden) Profilleisten des Heizelements aufweisen. Diese Nuten verlaufen
ggfls. zwischen Spannlager einerseits und Begrenzungsschenkel bzw.
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Anschlagleiste andererseits.
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Eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung läßt sich grundsätzlich für
die verschiedensten Anwendungen einsetzen. So besteht etwa die Möglichkeit, bei
Anwendung in Warmluftgeräten die Profilabschnitte als Radiatoren auszubilden und
mit angeformten Rippen zur Oberflächenvergrößerung und damit zur Verbesserung der
Wärmeabgabe an vorbeiströmende Luft zu versehen. Bei dem durch die Erfindung vor
allem in Betracht gezogenen Einsatz in Getränkezubereitungsmaschinen u.dgl.
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besteht die besonders vorteilhafte Möglichkeit der Ausführung als
Durchlauferhitzer, wenn in den Begrenzungsschenkeln der Profilabschnitte mindestens
je ein Wasserdurchlaufkanal vorgesehen wird. Die einzelnen Wasserdurchlaufkanäle
können in einfacher Weise durch außerhalb der Profilabschnitte verlaufende Verbindungsleitungen
zu einem durchgehenden Wasserkanal verbunden werden, wozu es sich empfiehlt, die
einzelnen Wasserdschlaufkanäle mit Schlauchanschlüssen zu versehen, die beispielsweise
eingekittet werden können.
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Um jegliche Wärmeverluste auf ein Minimum zu senken, empfiehlt die
Erfindung schließlich, daß alle freien Zwischenräume zwischen den Profilabschnitten,
insbesondere also der von diesen umschlossene Hohlraum sowie zwischen Spann- und
Begrenzungsschenkeln verbleibende Spalte, nach dem Verspannen mit einer wärmeleitenden
Vergußmasse ausgegossen werden. Als Vergußmasse empfiehlt sich besonders Silikonkautschuk,
der durch geeignete Zusätze (z.B.MgO od. dgl.) wärmeleitend gemacht werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellende Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung im Querschnitt,
Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
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Die in den Figuren dargestellte elektrische Widerstandsheizeinrichtung
ist als Warmhalteplatte und Durchlauferhitzer für eine Kaffemaschine vorgesehen
und besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einer Mehrzahl von in einer Reihe
angeordneten Heizelementen in Form von PTC-Elementen 1 und einem Grundkörper 2,
der im wesentlichen aus zwei Profilabschnitten 3 aufgebaut ist, zwischen denen die
PTC-Elemente 1 eingespannt sind. Der Grundkörper 2 weist eine obere Wärmedurchgangsfläche
4, auf der ein (nicht dargestelltes) Gefäß mit einem warm zu haltenden Getränk abgestellt
werden kann, sowie zwei Wasserdurclaufkanäle 5, die durch einen (gleichfalls nicht
dargestellten) Verbindungsschlauch
zu einem durchgehenden Kanal
verbunden sind, durch den das zu erhitzende Wasser hindurchfließt.
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Die Profilabschnitte 3 sind im wesentlichen L-förmig mit je einem
Spannschenkel 6 und einem Begrenzungsschenkel 7 aufgebaut, die im wesentlichen parallelflächig
begrenzt und zueinander senkrecht angeordnet sind. Die beiden Profilabschnitte 3
sind so angeordnet, daß die Schenkelinnenseiten (d.h. die jeweils dem anderen zugewandte
Seite jedes Schenkels) den Schenkelinnenseiten des anderen Profilabschnitts 3 zugewandt
sind und ein durch die Schenkel 6,7 umschlossener Hohlraum 8 entsteht, in dem die
PTC-Elemente 1 angeordnet sind. Die Profilabschnitte 6,7 weisen übereinstimmendes
Profil auf und sind von ein und demselben Profilmaterial in der vorgesehenen Länge
abgetrennt und -gegeneinander um 1800 um die Profillängsrichtung gedreht -zu dem
dargestellten, in seinem äußeren Begrenzungen quaderförmigen Grundkörper 2 zusammengesetzt.
Dabei überfaßt jeweils der Spannschenkel 6 eines der Profilabschnitte 3 den zugewandten
Begrenzungsschenkel 7 des anderen Profilabschnitts, der somit stumpf vor den entsprechenden
Spannschenkel 6 stößt. Die Trennfugen zwischen den Schenkeln 6,7 verlaufen folglich
parallel zur Wärmeabgabefläche 4 und treten an den Schmalseiten des Grundkörpers
2 aus. Die Profilabschnitte 3 sind durch Spannschrauben 9 miteinander verspannt,
die die Außenbereiche von Spannschenkeln 6 bzw.
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Begrenzungsschenkeln 7 durchsetzen.
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An der Innenseite der Spannschenkel 6, und zwar im wesentlichen mittig
bezüglich der Gesamtbreite der Profilabschnitte 3, ist jeweils ein Spannlager 1o
angeformt, das als Erhebung über die Innenseite des Spannschenkels 6 vorsteht und
sich über die Länge des Profilabschnitts 3 erstreckt. Die Abmessungen sind dabei
so eingerichtet, daß die Spannkraft durch die an den PTC-Ele-utenten 1 anliegenden
Spannlager lo übertragen wird, sodaß die PTC-Elemente eindeutig eingespannt
sind,
während außenseitig zwischen Spannschenkel 6 und Begrenzungsschenkel 7 jeweils ein
Spalt 11 verbleibt.
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Ferner ist an der Innenseite der Spannschenkel 6 jeweils an der dem
Begrenzungsschenkel 7 abgewandten Seite des Spannlagers lo eine Anschlagleiste 12
angeformt, die im montierten Zustand (vgl.Fig.1) am zugewandten Begrenzungsschenkel
7 des jeweils anderen Profilabschnitts 3 anliegt und eine eindeutige Festlegung
in der zu den Spannschenkeln 6 parallelen, zu den Begrenzungsschenkeln 7 senkrechte
Richtung gewährleistet. Aus Symmetriegründen ist ferner am Übergang vom Spannschenkel
6 zum Begrenzungsschenkel 7 jeweils eine der Anschlagleiste 12 entsprechende Schulter
13 vorgesehen. Aus Gründen, die nachfolgend noch erläutert werden, verläuft jeweils
zwischen dem Spannlager 1o einerseits und der Anschlagleiste 12 bzw. der Schulter
13 andererseits eine Aufnahmenut 14 parallel zur Profillängsrichtung.
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Die PTC-Elemente 1 sind als flache Säulen von rechteckigem Grundriß
mit jeweils zwei gegenüberliegenden, im wesentlichen planparallelen und mit einer
Metallisierung 15 versehenen Wärmeabgabeflächen ausgeführt, und weisen untereinander
gleiche Dicke auf. Als Anschlußelemente für. die PTC-Elemente ß sind zwei ebene,
in ihren Abmessungen dem Grundriß der Anordnung der PTC-Elemente 1 entsprechende
Kontaktbleche 16 vorgesehen, die mit den dazwischengelegten PTC-Elementen 1 lose
übereinander gelegt und rand sehr tig durch Profilleisten 17 von U-förmigem Profil
aus wärmeleitendem Silikonkautschuk elastisch zusammengehalten sind. Die Kontaktbleche
16 sind beidseitig blank und metallisch leitend und an ihren Außenseiten durch aufgelegte
Isolierschichten 18 ausgespaltenem Glimmer abgedeckt, die gleichfalls durch die
U-Schenkel der Profilleisten 17 überfaßt und festgehalten sind. Die Kontaktbleche
16 weisen angeformte Anschlußzungen 19 auf, die als Flachstecker ausgebildet sind
und stirnseitig aus dem Hohlraum 8 hervorragen,
so daß in einfacher
Weise (nicht dargestellte) Anschlußkabel angeschlossen werden können. Damit sind
die PTC-Elemente 1 zusammen mit den Kontaktblechen 16 in einem sandwichartigen Verbund
zusammengefaßt und können bei der Montage des beschriebenen Widerstandsheizelements
in einfacher Weise zwischen die Profilabschnitte 3 eingesetzt und verspannt werden.
In der Figur 1 ist dargestellt, wie nach dem Verspannen alle freien Zwischenräume,
insbesondere also der von den PTC-Elementen 1 freigelassene Teil des Hohlraums 8
sowie die Spalte 11 mit durch Zugabe von beispielsweise MgO wärmeleitend gemachtem
Silikonkautschuk, dessen Zusammensetzung derjenigen der Profilleisten 17 entspricht,ausgegossen
sind.
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In die Wasserdurchlaufkanäle 5 sind Anschlußstücke 20 eingekittet,
die zum Anschluß an den Wasserkreislauf bzw. zum Anschluß der erwähnten(nicht dargestellte)
Schlauchverbindung zwischen den Wasserdurchlaufkanälen 5 der beiden Profilabschnitte
3 dienen.
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Die Profilabschnitte 3 bestehen aus einem gut wärmeleitendem Material,
im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumlegierung und sind in der
jeweils vorgesehenen Länge von Stranggepreßtem Profilmaterial abgetrennt.