DE3527413A1 - Elektrischer strahlheizkoerper zur beheizung von heizflaechen sowie verfahren und vorrichtung zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Strahlheizkör­ per zur Beheizung von Heizflächen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung.

Aus der DE-OS 27 29 929 ist ein Strahlheizkörper be­ kanntgeworden, bei dem Heizwendeln mit kreisrundem Quer­ schnitt in die Oberfläche eines Isolierkörpers, der fa­ seriges Material enthält, durch Eindrücken eingebettet und dadurch festgelegt werden. Es ist dort auch erwähnt, daß die Heizwendeln eine ovale Form haben können, und zwar flachliegend, d.h. mit ihrer geringsten Er­ streckung, d.h. der kleinen Achse in Richtung auf die Heizplatte gerichtet. Dies dient zur Einsparung von Bau­ höhe.

Diese Art der Einbettung funktioniert hervorragend, so lange die Heizspiralen eine gewisse Drahtstärke nicht unterschreiten und ihre Gesamtlänge in Relation zu der zur Verfügung stehenden Oberfläche nicht zu groß wird. Für viele Strahlheizkörper, z.B. in Mehrtakt-Schaltung betriebene, werden jedoch die erforderlichen Drahtlängen sehr groß und die Drahtdurchmesser klein, insbesondere bei Ausführungen für höhere Spannungen (380 V). Bei den dadurch nötigen geringen Wendelsteigungen und der gerin­ geren Stabilität der Wendel ist eine einwandfreie Fest­ legung nicht mehr möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Strahl­ heizkörper zu schaffen, dessen Heizwendel sich bei guter Festlegung auf dem Isolierkörper und bei einem relativ geringen Anteil an eingebetteter Heizwiderstandsfläche (Einbettungsgrad) auch mit geringerem Drahtdurchmesser herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche gelöst.

Die erfindungsgemäße Einbettung einer etwa ovalen Draht­ wendel an einer ihrer Schmalseiten bringt einen mehrfa­ chen Vorteil: Bei gegebener Breite der Wendel in Rich­ tung der Oberfläche, also je nutzbarer Flächeneinheit, ist die Drahtlänge durch die Ovalform um einiges größer als bei der kreisrunden Wendel und viel größer als bei liegender Ovalform. Ferner wird die Wendel bei einer Einbettung eines bestimmten Bruchteils ihrer Gesamt­ drahtlänge wesentlich besser festgelegt, weil ein we­ sentlich größeres Bogenstück festgehalten ist. So kann beispielsweise bei der Einbettung eines 180°-Bogens die­ ser z.B. nur ein Drittel oder ein Viertel des Gesamt­ Windungsumfanges ausmachen, so daß ausreichend Abstrah­ lungsfläche verbleibt. Aufgrund der größeren unterzu­ bringenden Gesamtlänge des drahtförmigen Widerstandsma­ terials kann auch die Wendelsteigung, d.h. der Anteil der Lücken zwischen den einzelnen Windungen, größer sein, so daß das Eindringen in das Einbettmaterial ge­ fördert wird. Vor allem ist aber das Eindringen der stärker gekrümmten Seitenfläche in das Material leichter vorzunehmen und beim Eindrücken neigen auch dünne Drähte nicht dazu, sich zu verformen oder in Wendellängsrich­ tung umzufallen und sich flach zu legen. Dazu trägt auch bei, daß die Wendel beim Einlegen über zwei Drittel oder drei Viertel ihres Umfanges in einer Nut geführt sein kann und der auf den freien Scheitel wirkende Druck die flacheren Seiten des Ovals gegen die Nutwände preßt und die Wendel dadurch versteift, die in der Querrichtung auch ein großes Widerstandsmoment hat.

Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auch auf anderen Gebieten vorteilhaft verwirklicht sein können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen elektrischen Strahlheizkörper und eine Heizplatte,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch ein Detail des Strahlheizkörpers mit Heizwendel,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 ein stark vergrößertes Detail aus Fig. 2 und

Fig. 5 und 6 zwei Herstellungsschritte für den Strahl­ heizkröper mit zugehöriger Vorrichtung.

Der in Fig. 1 dargestellte Strahlheizkörper 11 dient zur Beheizung einer Glaskeramik-Heizfläche 12 oder anderer Heizflächen aus Keramik. Obwohl er bevorzugt zur Behei­ zung einer von mehreren Kochstellen einer zusammenhän­ genden Kochfläche bestimmt ist, kann er auch für Einzel­ kochplatten etc. verwendet werden.

Der Strahlheizkörper 11 enthält eine Blech-Trägerschale 13, in der ein wie die Trägerschale tellerförmiger Iso­ lierkörper 14 mit einem runden Boden 15 und einem umlau­ fenden Rand 16 angeordnet ist. Zur besseren thermischen Isolation kann dieser mechanisch recht feste und hand­ habbare Isolierkörper 14 von einer mechanisch weniger festen, aber thermisch ausgezeichnet isolierenden Iso­ lierschicht 17, beispielsweise aus pyrogener Kieselsäu­ re, unterlegt sein. Der Isolierkörper ist mit der oberen Stirnfläche des Randes 16 an die Unterseite der Kochflä­ che 12 durch nicht dargestellte Federelemente ange­ drückt. Er besteht vorzugsweise aus einem faserigen, hochtemperaturfesten Isoliermaterial, beispielsweise einer Aluminiumoxid-Faser, die unter der Bezeichnung "Fiberfrax" im Handel ist. Es können auch andere minera­ lische Fasern oder sonstige verpreßbare Isoliermateria­ lien, wie beispielsweise Vermiculit, verwendet werden.

In die im wesentlichen ebene Oberfläche 18 des Bodens 15 des Isolierkörpers 14 sind Heizwendeln 20 aus drahtför­ migem elektrischen Widerstandsmaterial 21 teilweise ein­ gepreßt und festgelegt. Jede Windung 60 der Heizwendel 20 hat eine, insbesondere aus Fig. 3 zu erkennende, etwa ovale Gestalt, die aus zwei etwa halbkreisförmigen Bögen an den Schmalseiten des Ovals und zwei diese verbinden­ de, im wesentlichen geradlinige oder leicht nach außen oder innen (strichpunktierte Linie in Fig. 3) gekrümmten Seiten 24, 25 besteht. Die stärker gekrümmten Schmalsei­ ten 22, 23 können, in Abweichung von der Halbkreisform, im Bereich ihres Scheitels 26 etwas stärker gekrümmt sein. Sie sind dadurch hergestellt, daß eine anfänglich eng, d.h. Windung an Windung kreisrund gewickelte Wen­ del, durch Druck zwischen zwei Backen- oder Rollenpaaren in die etwa ovale Form verformt und schließlich durch mechanische Streckung auf die gewünschte Länge bzw. Wen­ delsteigung (in Fig. 2 links zu erkennen) gebracht und durch Glühen unter Eigenerwärmung infolge Stromdurchgang in dieser Form weitgehend spannungsfrei fixiert werden. Durch die Art der Verformung in die Ovalform ergibt sich auch die in Fig. 3 dargestellte Form, die sich für den gewünschten Zweck als sehr vorteilhaft erwiesen hat. Vor allem die entstehende stärkere, spitzbogenartige Krüm­ mung im Bereich des Scheitels 26 erleichtert das Ein­ dringen in den Isolierkörper, während die geraden Seiten für eine gute Führung im Herstellungswerkzeug sorgen. Es sind aber auch andere ovale oder einem Oval ähnliche Formen brauchbar, die einen deutlichen Unterschied in den Abmessungen zwischen ihrer senkrechten und horizon­ talen Erstreckung haben. Alle diese Querschnittsformen werden hier als etwa oval bezeichnet.

Der Isolierkörper 14 wird nach folgendem Verfahren her­ gestellt: Aus einer Aufschlämmung der Isolierfasern in Wasser, dem auch anorganische oder organische Bindemit­ tel üblicher Art zugesetzt sind, werden die Fasern von einer Saugform angesaugt, die ein in der Dicke vergrö­ ßertes Negativ des Isolierkörpers, jedoch mit freiem unteren Boden 29 bildet. Eine entstehende Verdickung am Boden 29 wird abgeschnitten und, ggf. nach einer Vor­ pressung, der weiche, feuchte Isolierkörper 14′ (Fig. 5) in eine Form 30 eingebracht.

Die vorbereiteten ovalen Heizwendeln werden nach An­ schweißen von Anschlußstiften 28 im Bereich von nicht verzogenen Enden auf ihrer ganzen Länge in Nuten 33 ein­ gelegt, die in ihrer Form der Ovalform der Heizwendeln 20 entsprechen, jedoch eine geringere Tiefe haben. Die ovalen Heizwendeln werden also mit aufrecht stehendem Querschnitt in die Nuten 33 eingelegt und stehen mit etwa einem Drittel bis einem Viertel ihrer größeren Querschnittsabmessungen a (Fig. 3) über eine Preßfläche 34 des die Nuten tragenden Stempels 32 über. Die Nuten sind in der Breite so bemessen, daß die Heizwendeln sich gut einlegen lassen, jedoch möglichst genau geführt wer­ den. Die Nuten 33 verlaufen bei kreisrunden Heizkörpern meist spiralig und zwar in ein- oder mehrgängigen Spira­ len oder auch einer Doppelspirale, die in der Mitte einen Umkehrpunkt hat und können aus einem oder mehreren Wendelabschnitten bestehen, die jeweils mit elektrischen Anschlußstiften 28 versehen sind, die mit durch den Iso­ lierkörper 14 geführten Leitungsdrähten 61 verschweißt werden.

Der Einlegestempel 32 und die Form 30 werden in Richtung der Pfeile 34 und 35 relativ aufeinander zu bewegt und der Einlegestempel preßt den noch plastisch verformbaren Isolierkörper-Vorformling 14′ in seine in Fig. 6 zu er­ kennende Endform 14. Dabei werden die Heizwendeln 20 mit ihren Schmalseiten 22 in die Oberfläche 18 und damit das Material des Isolierkörpers hineingedrückt bzw. -gepreßt und festgelegt.

Insbesondere, wenn die Heizwendeln aus sehr dünnem Wi­ derstandsmaterial in der Größenordnung zwischen 0,15 und 0,25 mm besteht, wäre dies mit Rundwendeln kaum möglich. Durch die Ovalform und die gute Führung in den Nuten 33 lassen sich aber selbst stärkere Verpressungen des Iso­ lierkörpers und damit eine gute Festlegung erreichen. Die Wendeln neigen durch die gute Führung nicht dazu, seitlich wegzuknicken und können auch nicht in Längs­ richtung der Wendel umfallen, weil durch den Druck auf den gekrümmten Abschnitt 22 der Wendel sich die Seiten 24 und 25 etwas auseinanderspreizen und sich an der Nut­ innenwand festklemmen (Fig. 6). Zu einer guten Festle­ gung trägt auch bei, daß die Wendelsteigung h (Fig. 2) im Vergleich zum Durchmesser d des Widerstandsmaterials 21 verhältnismäßig groß ausfällt und damit ein ausrei­ chender Raum verbleibt, damit das Fasermaterial zwischen den Windungen 60 hindurchdringen und einen Wulst 40 bil­ den kann. Dessen Oberfläche 41 liegt zwar etwas unter­ halb der unbeeinflußten, ebenen Oberfläche 18 des Iso­ lierkörpers 14, jedoch oberhalb der eingedrungenen Win­ dungsabschnitte 42. Diese schneiden sich in das faserige Material ein, das sich hinter ihnen, zumindest teilwei­ se, wieder schließt. Es ist dabei vorteilhaft, daß durch das Eindringen Vertiefungen bzw. Kanäle 43 gebildet wer­ den, die sich nur teilweise über dem eingedrungenen Win­ dungsabschnitt 42 wieder schließen. Dadurch ist einer­ seits auch von diesem Teil noch eine Abstrahlung bzw. ein Wärmeabgang ohne Vermittlung des Isolierkörpers mög­ lich und andererseits bilden die diesen Windungsab­ schnitt 42 übergreifenden Fasern 44 einen besonders elastischen und auch bei wärmedehnungsbedingten Bewegun­ gen nicht ausbrechenden Halt. Je nach den verwendeten Materialien und Dimensionen kann aber die Einbettung mehr oder weniger vollständig und tief sein und die Ver­ tiefungen 43 können auch ganz geschlossen sein, insbe­ sondere wenn ein weniger elastisches und faseriges Mate­ rial verwendet wird. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Einbettung der Wendel am Außenrand jeder Windung etwas höher ist als am Innenrand, so daß sich im Bereich der Heizwendel eine flache Rinne bildet, die die Festlegung begünstigt. Vor allem ist aber zu sehen, daß es möglich ist, den größten Teil des Wendelinneren 45 von Isolier­ material freizuhalten, so daß sich dort kein Wärmestau bilden kann, der zu einem frühzeitigen mechanischen und thermischen Verschleiß der Heizwendeln führen könnte.

Nach der in Fig. 6 dargestellten Verpressung werden der Einlegestempel 32 und die Form 30 wieder voneinander entfernt, wobei die Heizwendeln in dem Isolierkörper verbleiben. Sie lassen sich leicht aus den Nuten 33 her­ ausziehen, weil sie bei Entlastung des Stempels wieder etwas zusammenfedern und Spiel zu den Nutwänden haben. Der nun gepreßte, aber noch feuchte Isolierkörper 14 wird nun durch Trocknung oder andere Härtungsmaßnahmen in seinen relativ festen Endzustand gebracht.

Durch die Erfindung ist es möglich, auf einer vorgegebe­ nen Flächeneinheit große Drahtlängen unterzubringen, so daß auch Heizkörper in Mehrtakt-Schaltung mit kleinen Teilleistungen hergestellt werden können. Dabei trägt das relativ große Verhältnis zwischen möglicher Wendel­ steigung h zum Drahtdurchmesser d des Widerstandsmate­ rials 21 von vorzugsweise h/d = 2 bis 10 auch dazu bei, daß die Abstrahlungs- und Belüftungsverhältnisse gut sind. Da außer der Verlängerung des Drahtdurchmessers bei gegebener Breite durch die Ovalform auch die Fest­ legbarkeit verbessert wird, ist es möglich, die Wendeln in relativ eng nebeneinanderliegenden Spiralbahnen anzu­ ordnen, so daß auch dadurch eine Vergrößerung der je Flächeneinheit unterzubringenden Drahtlänge sowie eine sehr gleichmäßige Beheizung möglich sind. Auch die be­ vorzugte gleichmäßige Festlegung der Heizwendeln über ihre ganze Länge vermeidet Kriechbewegungen der Wendel und schafft auch bei geringem Abstand Kurzschlußsicher­ heit. Es wäre allerdings, falls es auf eine sehr enge Belegung nicht ankommt, auch möglich, die Festlegung in in Abstand voneinander befindlichen Rippen oder Warzen vorrangig vorzunehmen. Als bevorzugtes Verhältnis zwi­ schen der Länge der auf die Heizfläche 12 und von dem Isolierkörper weg gerichteten großen Achse a des ovalen Wendelquerschnittes zu den Querabmessungen b in Richtung der kleinen Ovalachse 51 hat sich ein Wert von mehr als 1,5, vorzugsweise ca. 2 erwiesen. Üblicherweise steht die große Achse 50 (Fig. 3) etwa senkrecht auf der Iso­ lierkörperoberfläche 18. Es ist bei entsprechenden Ver­ hältnissen jedoch auch möglich, sie etwas schräg zu stellen, so lange noch die durch die bevorzugte Ein­ drückung der Schmalseite 22 in den Isolierkörper er­ reichten Vorteile beibehalten werden können. Die gute Führung und Stabilität der Heizwendel und die "Schneid­ wirkung" der relativ dünnen verwendbaren Drähte ermögli­ chen es auch, die Einpressung in Isoliermaterialien vor­ zunehmen, deren Widerstand gegen Eindringen relativ hoch ist und die nach dem Verpressen ohne Härtungs- oder Trocknungsvorgang verwendbar sind. Dazu gehören insbe­ sondere körnige Isoliermaterialien.

Die bevorzugten Werte des Verhältnisses Wendelsteigung/ Drahtdurchmesser (Verzug) h/d können sich in Abhängig­ keit von dem Achslängen-Verhältnis a/b des ovalen Wen­ delquerschnitts und den absoluten Drahtdurchmessern ändern. Es ist bei einem Isolierkörper aus Fiberfrax ermittelt worden, daß gute Festlegungsverhältnisse für einen Drahtdurchmesser d = 0,25 mm bei a/b = 2 und h/d = 2,5 oder darüber erreicht wurden, wobei die Mini­ malwerte für h/d bei größerem a/b abnehmen könnten und bei kleinerem a/b ansteigen sollten (z.B. für a/b = 1,5 auf h/d = 3). Kleinere Drahtdurchmesser ermöglichen demgegenüber größere h/d-Werte, z.B. d = 0,18; a/b = 2; h/d über 3. Diese Verhältnisse können sich in Abhängig­ keit der Faserlänge, Saugdichte, Faserqualität, Binde­ mittelanteil etc. des Isolierkörpers ändern.

Wegen der relativ großen Einpreßtiefe im Vergleich zum Wendeldurchmesser wirken sich Toleranzen in den Wendel­ abmessungen und in der Einpreßtiefe wesentlich weniger aus.

Claims (17)

1. Elektrischer Strahlheizkörper zur Beheizung von Heizflächen (12), insbesondere von Glaskeramik-Koch­ platten, mit einem Isolierkörper (14) aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, in dessen Ober­ fläche (18) wenigstens eine Heizwendel (20) mit zahlreichen, in Abstand voneinander liegenden Win­ dungen aus elektrischem Widerstandsmaterial (21) teilweise eingebettet ist, wobei die Heizwendel (20) einen etwa ovalen Wendelquerschnitt mit einer länge­ ren und einer kürzeren Achse (50, 51) und mit je zwei einander gegenüberliegenden Seiten (22, 23; 24, 25) mit stärkerer und geringerer Krümmung bis zu ggf. geradlinigem Verlauf aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einbettung der Heizwendel (20) im Bereich einer Heizwendelseite (22) mit stärkerer Krümmung vorgenommen ist und die längere Achse (50) des Wendelquerschnittes von der Oberfläche (18) des Isolierkörpers (14) hinweg gerichtet ist.

2. Strahlheizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ovale Wendelquerschnitt aus zwei etwa halbkreisförmigen, vorzugsweise im Scheitelbe­ reich etwas stärker gekrümmten Seiten (22, 23) und diese verbindenden Seiten (24, 25) mit im wesentli­ chen geradlinigem Verlauf des Widerstandsmaterials (21) bestehen.

3. Strahlheizkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einbettung auf der gesamten Länge der Heizwendel (20) im wesentlichen für jede Windung (60) gleichmäßig, jedoch nur über einen einen Bruchteil des Windungsumfanges einnehmenden Abschnitt (42) erfolgt.

4. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkör­ per (14) überwiegend aus zu einem relativ starren Körper gebundenen Fasern (44) besteht.

5. Strahlheizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Widerstandsmaterial (21) im einge­ betteten Abschnitt (42) von ins Wendelinnere ein­ greifenden Fasern (44) des Isolierkörpers (14) über­ griffen wird, daß jedoch das übrige Wendelinnere (45) im wesentlichen frei von Isoliermaterial ist.

6. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im einge­ betteten Abschnitt (42) in längs zu seinem Windungs­ verlauf verlaufenden, eingedrückten Vertiefungen (43) liegt, die teilweise zur Oberfläche (18) des Isolierkörpers (14) offen sind.

7. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (60) des Widerstandsmaterials (21) an ihren Außen­ seiten weiter von dem Material des Isolierkörpers (14) umschlossen sind als im Wendelinneren (45).

8. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Iso­ lierkörper (14) mehrere unterschiedliche Heizwendeln (20) in spiraligen Bahnen eingebettet sind.

9. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der großen zu der kleinen Achse (50, 51) des ovalen Wendelquerschnittes größer als 1,5, vorzugsweise ca. 2 ist.

10. Strahlheizkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wendelsteigung (h) zum Durchmesser (d) des Wi­ derstandsmaterials (21) größer als 2, vorzugsweise zwischen 4 und 8 ist.

11. Strahlheizkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung an den Außenseiten der Heizwendel (20) bis zu den Seiten (24, 25) mit im wesentlichen geradlinigem Verlauf des Widerstandsmaterials (21) heranreicht.

12. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Strahl­ heizkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heiz­ wendel (20) mit etwa ovaler Wendel-Querschnittsform mit ihrer Schmalseite (22) in die Oberfläche (18) eines plastisch verformbaren Isolierkörpers (14) ge­ drückt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisrunde Heizwendel unter seitlichem Druck in die ovale Windungs-Querschnittsform ver­ formt, in Axialrichtung gedehnt, mit aufrecht ste­ hendem Wendelquerschnitt über mehr als die Hälfte des Windungsumfanges gehalten und mit dem freiste­ henden, ungehaltenen Teil in die Oberfläche (18) des plastisch verformbaren Isolierkörpers (14) einge­ preßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Einpressen in den feuchten, über­ wiegend aus mit Bindemitteln versetzten Isolier­ stoff-Fasern hergestellten Isolierkörper (14) vorge­ nommen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Einpressen der Heiz­ wendel (20) der Isolierkörper (14) in seine Endform gepreßt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (14) nach dem Einpressen der Heizwendel (20) ggf. durch Trocknen gehärtet wird.

17. Vorrichtung zur Herstellung eines elektrischen Strahlheizkörpers, gekennzeichnet durch einen Ein­ preßstempel (32), der wenigstens eine vorzugsweise spiralförmige Nut (33) zur Aufnahme einer etwa ova­ len Heizwendel (20) mit aufrecht stehendem Wendel­ querschnitt enthält, die so tief ist, daß sie mehr als die Hälfte, vorteilhaft mehr als 60% der Heiz­ wendelabmessungen (a) in Richtung der größeren Oval­ achse (50) aufnimmt und seitlich führt.