DE3545442A1 - Heizelement fuer thermische hausgeraete, insbesondere fuer kochstellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.

Bei handelsüblichen Heizelementen dieser Art ist in einem Trägerkörper auf ei­ ner Isolierschicht ein Heizleiter in Form eines gewendelten Heizdrahtes ange­ ordnet. Es ist ferner bekannt, mehrere solcher Heizwiderstände vorzusehen, mit denen mittels eines an sich bekannten sogenannten Siebentaktschalters durch Parallel- oder Serienschaltung unterschiedliche Heizleistungen einstellbar sind. Solche Heizelemente sind konstruktiv und fertigungstechnisch relativ aufwendig und erfordern insbesondere eine beträchtliche Bauhöhe des Heizele­ mentes. Bei Heizelementen für andere Anwendungszwecke ist es bekannt, den oder die Heizleiter in der sogenannten Dickschichtpasten-Technik auszubilden unter Verwendung von Dickschichtpasten und dielektrischem Material, das als Isola­ tions- und Trägerschicht dient und auf welches die Dickschichtpasten zur Schaffung von Heizleiterbahnen aufgebracht, z.B. eingebrannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art so auszugestalten, daß sich neben einer einfachen Konstruktion und Fertigungsweise sowie bei niedriger Bauhöhe eine sehr gute Heizwirkung ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Heizelement ist in besonderer Weise Vorsorge dafür getroffen, daß der Wärmedurchfluß-Widerstand zwischen den sehr flachen Heiz­ leiterbahnen, insbesondere den Dickschicht-Heizleiterbahnen und der zu behei­ zenden Oberfläche, sehr gering ist. Daneben ist dafür gesorgt, daß durch ent­ sprechend formstabile Ausgestaltung des Heizelementes eine bestmögliche An­ kopplung des Heizelementes an die zu beheizende Fläche, z.B. an eine Kochmulde aus Edelstahl oder Glaskeramik oder aber unmittelbar an die Bodenfläche des Kochtopfes, gewährleistet ist. Selbstverständlich ergeben sich ähnliche Vortei­ le bei der Verwendung eines solchen Heizelementes für andere thermische Haus­ geräte, wie z.B. bei Warmhalteplatten, aber auch bei Geschirrspülmaschinen oder Waschmaschinen o.dgl.

Bei der vorteilhaften Weiterbildung gemäß Patentanspruch 2 bringt es besondere Vorteile, wenn das Tragelement zu beiden Seiten mit einer isolierenden Email­ schicht versehen ist, auf die z.B. unmittelbar die Heizleiterbahn oder Heiz­ leiterbahnen aufgebracht sind, z.B. durch Aufdrucken und anschließendes Ein­ brennen. Durch diese beidseitige Beschichtung, z.B. Emaillierung, vermeidet man bei starker Erhitzung des metallischen Tragelementes eine einseitige Ver­ biegung des metallischen Elementes infolge von unsymmetrischen Wärmespannun­ gen. Bei Tragelementen, die eine ausreichend hohe mechanische Stabilität auf­ weisen, wie z.B. bei sogenannten Masse- oder Gußkochplatten, genügt eine ein­ seitige Oberflächenbeschichtung bzw. Emaillierung, nämlich dort, wo die Heiz­ leiterbahnen aufgebracht werden. Im Falle einer Emaillierung ist es vorteil­ haft, wenn die Metallplatte aus einem kohlestoffarmen und daher emaillierfähi­ gen Material besteht.

Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, unmittelbar auf einer Mulden­ platte einer Kochmulde unter Zwischenlage der Isolierschicht die Heizleiter­ bahnen aufzubringen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn Mittel, z.B. Wärmebar­ rieren, vorgesehen sind, um eine Ausbreitung der Wärme außerhalb der Kochflä­ chen zu verhindern. Solche Wärmebarrieren können ausgebildet sein in Form von Materialverengungen oder Materialdurchbrechungen.

Auf besondere stabilisierende externe Maßnahmen kann dann verzichtet werden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß das Heizelement selbst eine ausreichende Stabilität besitzt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn gemäß Patentan­ spruch 5 und 6 der Heizflächenträger aus mehreren sandwichartig miteinander verbundenen Schichten besteht.

In bezug auf einen guten Wärmedurchgang ist es vorteilhaft, wenn gemäß Patent­ anspruch 7 als Heizflächenträger eine Aluminiumplatte verwendet wird. Um hier­ bei die Stabilität des Heizelementes insgesamt zu erhöhen, ist gemäß Patentan­ spruch 8 vorgesehen, den Heizflächenträger durch einen versteifenden Alumi­ niumkörper kleiner thermischer Masse zu versteifen. Ein solcher Heizflächen­ träger aus Aluminium oder einem ähnlichen relativ weichen Material eröffnet die Möglichkeit, ein solches Heizelement durch einfaches Preß- oder Einreib­ schweißen mit einem anderen metallischen und stabilen Tragelement, z.B. aus Stahl, zu verbinden, wobei vorgesehen sein kann, daß die Aluminiumoberfläche mit Einreibrippen o.dgl. versehen ist.

Die Heizwirkung des erfindungsgemäßen Heizelementes läßt sich dadurch noch er­ höhen, daß gemäß Patentanspruch 12 an der Unterseite des Heizflächenträgers bzw. Tragelementes ein Wärmestrahlen reflektierender Reflektor angebracht ist. Ein solcher Reflektor kann als separater Teil ausgebildet sein, der unmittel­ bar auf der unteren Deckschicht des Heizelementes oder mit Abstand davon ange­ orndet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, z.B. auf die untere Deck­ schicht eine Metallschicht aufzuemaillieren oder diese Deckschicht mit einer Metalloxid-Schicht zu versehen.

Gemäß Patentanspruch 14 ist es vorteilhaft, wenn Mittel vorgesehen sind, durch die ein zeitliches Abwandern der Heizenergie, z.B. auf ein metallisches Trag­ element, verhindert wird. Insbesondere am Rand des Heizelementes, aber auch zwischen einzelnen Heizzonen können Wärmebarrieren vorgesehen sein, die den Wärmedurchflußwiderstand erhöhen, z.B. in Form von Materialverengungen.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform eines Heizelementes für Kochstellen in Draufsicht und Schnittansicht,

Fig. 3 bis 9 sieben weitere Ausführungsbeispiele in vereinfach­ ter Schnittdarstellung.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 3 handelt es sich um ein kreisrundes Kochstellenheizelement, das unmittelbar oder mittelbar z.B. in Verbindung mit einer Muldenplatte oder Glaskeramikplatte als Kochplattenheizung dienen kann. Es besitzt als Träger 1 eine ebene, glatte Stahlplatte aus einem bis ca. 700°C zunderbeständigen Material, die vorzugsweise beidseitig mit Emailbeschichtun­ gen 2 und 3 versehen ist. Dieser metallische Träger 1 ist mit einem nicht wei­ ter dargestellten Schutzleiteranschluß versehen. Auf die Unterseite des Trä­ gers 1 auf der Eimailschicht 3 z.B. durch Einbrennen aufgebracht ist eine Dickschicht-Heizleiterbahn 4 in nachstehend erläuterter geometrischer Anord­ nung. Hierauf bedarfsweise aufgebracht, ist eine ebenfalls isolierende Deck­ schicht 5. Diese Deckschicht 5 z.B. Glasschicht besitzt eine relativ hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit bei 1250 V. An der Unterseite der Deck­ schicht 5 unmittelbar oder mit Abstand angebracht ist eine Reflektorschicht 6 z.B. in Form einer Metalloxydschicht, einer Metallfolie oder dergleichen. Im Zentrum ist ein Befestigungsbolzen 7 vorgesehen, der die vorgenannten Schich­ ten durch- und überragt und am Träger 1 angeschweißt ist. Dieser Befestigungs­ bolzen 7 dient der mechanischen Befestigung des Kochstellenheizelementes z.B. in einer Kochmulde der eingangs erwähnten Art. Wie Fig. 1 zeigt, ist die Koch­ stellenfläche 8 unterteilt in zwei Heizzonen, und zwar in eine äußere Heizzone 9 und in eine innere Heizzone 10 sowie in eine innerste unbeheizte Zone 11 und eine äußerste unbeheizte Randzone 12. Die radiale Breite der Zonen 9, 10 und 11 entspricht etwa jeweils einem Drittel der radialen Breite der Kochstellen­ fläche 8. Die Heizleiterbahn 4 besitzt in der innersten unbeheizten Zone 11 Anschluß- oder Kontaktflächen 13 und innerhalb der inneren Heizzone 10 sowie innerhalb der äußeren Heizzone 9 insgesamt ringförmige Abschnitte 14 bzw. 15, die zueinander konzentrisch angeordnet sind und in welchen die Heizleiterbahn 4 mäanderartig verläuft. Wie die Figur zeigt, sind die Lücken 16 zwischen den Mäanderwindungen des Abschnittes 15 kleiner als die Lücken 17 zwischen den Mäanderwindungen des Abschnittes 14, während der Querschnitt sämtlicher Ab­ schnitte stets gleich groß ist. Auf diese Weise ist die Heizwirkung des äuße­ ren Abschnittes 15 (spezifische Heizflächenbelastung) größer als diejenige des inneren Abschnittes 14. Über Verbindungsabschnitte 18 stehen die beiden Ab­ schnitte 14 und 15 miteinander in elektrischer Verbindung. Innerhalb der unbe­ heizten Randzone 12 ist ebenfalls als Dickschicht-Heizleiterbahn eine elektri­ sche Meßwiderstandsbahn 19 auf dem Träger 1 aufgebracht mit elektrischen An­ schluß- oder Kontaktflächen 20 in der innersten unbeheizten Zone 11. Mittels dieser Meßwiderstandsbahn, die z.B. aus reinem Nickel besteht und vorzugsweise einen Meßwiderstand von 300 bis 550 Ohm besteht wird die Temperatur des äuße­ ren Abschnittes 15 der Heizleiterbahn 4 abgefühlt, wobei diese Meßwiderstands­ bahn 19 an eine vorbestimmte Meßspannung angelegt sein kann und durch den bei unterschiedlicher Temperatur sich ändernden Widerstand unterschiedliche Strom­ stärken erhalten werden, die zur Steuerung oder Regelung der Heizleistung die­ nen kann. So besteht die Möglichkeit, mit Hilfe dieser Meßwiderstandsbahn 19 einen Übertemperaturschutz zu schaffen, durch den sichergestellt wird, daß die thermische Heizflächenbelastung eine vorbestimmte kritische Temperatur nicht übersteigt. Als Material für die Heizleiterbahn 4 kann Wolfram oder Platin oder eine entsprechende Legierung verwendet werden, die in der Größenordnung bis 800°C zunderbeständig ist. Selbstverständlich besteht im Rahmen der Erfin­ dung die Möglichkeit, unterschiedliche Heizwirkungen in den unterschiedlichen Zonen durch Querschnittsveränderung der Heizleiterbahnen in diesen Zonen zu erhalten, wobei es fertigungstechnisch vorteilhaft ist, wenn die Schichtstärke sämtlicher Heizleiterbahnen-Abschnitte konstant ist. Ferner ist es vorteil­ haft, wenn die Heizleiterbahn so ausgestaltet ist, daß sie bei einem Durchmes­ ser der Fläche 8 von ungefähr 145 mm etwa 9,7 W/qcm beträgt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist zwischen zwei Stahlplatten 30 eine etwas stärkere Aluminiumschicht 31 angeordnet. Hierbei ist zumindest die unte­ re Stahlplatte 30 mit einer Emailschicht bei 32 versehen. Auf diese Email­ schicht 32 aufgedruckt und eingebrannt sind Heizleiterbahnen 4. Eine untere Deckschicht 33 kann wiederum aus einer Emailschicht oder aus Glasemail beste­ hen. Auf die Unterseite dieser Deckschicht 33 mit oder ohne Abstand aufge­ bracht ist ein Reflektor 34.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist eine Stahlplatte 30 beidseitig mit Emailschichten 32 versehen. Auf die untere dieser Emailschichten sind die Heizleiterbahnen 4 aufgebracht und wiederum durch eine Email- oder Glasemail­ schicht abgedeckt. Durch diese symmetrische Beschichtung der Stahl- oder Blechplatte 30 verhindert man einen Verzug der Stahlplatte 30 bei starker Er­ hitzung, d.h. bei Betrieb des Heizelementes.

Fig. 5 zeigt eine Kochplatte, z.B. in Form einer Gußkochplatte 35, die in be­ kannter Weise auf einer Muldenplatte, z.B. aus Blech oder Glaskeramik oder Glas, befestigbar ist. Für den Fall, daß auf die untere Bodenfläche 38 der Gußkochplatte 35 unmittelbar Heizleiterbahnen 4 aufgebracht werden sollen, die Gußkochplatte 35 also unmittelbar als Tragelement dient, wird die Bodenfläche 38 mit einer Emailschicht versehen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn man ein kohlestoffarmes Material für die Gußkochplatte 35 verwendet, um den Emaillier­ vorgang zu erleichtern. Es besteht aber auch die Möglichkeit, unmittelbar auf die Bodenfläche 38 ohne Emailschicht ein Heizelement 37 der vorbeschriebenen Art aufzubringen, z.B. anzukleben oder in nicht weiter dargestellter Weise zu verklemmen. Sofern es sich hierbei um ein Heizelement, z.B. gemäß Fig. 6 mit Aluminiumoberfläche handelt, kann es durch Reibschweißung mit dem metallischen Material der Gußkochplatte 35 verbunden werden. Verwendet werden kann hier be­ vorzugt ein in Fig. 6 dargestelltes Heizelement. Hierbei ist auf eine als Heizflächenträger dienende Aluminiumplatte 39 eine elektrisch isolierende Schicht 40, z.B. aus Keramik, Teflon, Email oder Eloxal, aufgebracht, die wie­ derum die Heizleiterbahnen 4 trägt. Hierauf aufgebracht ist eine weitere Iso­ lierschicht, z.B. Emailschicht 41. Zur mechanischen Versteifung der geschil­ derten Einheit dient ein Aluminiumkörper, der in Form eines Rippenkörpers aus­ gebildet ist, d.h. dessen untere Oberfläche mit Ausnehmungen 43 versehen ist und auf diese Weise eine sehr kleine thermische Masse besitzt. Selbstver­ ständlich besteht bei all diesen Ausführungsformen noch die Möglichkeit, an der Unterseite noch einen Reflektor in der beschriebenen Weise anzubringen. Auch hier handelt es sich, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, um eine in sich stabile sandwichartige Baueinheit.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 soll an der Unterseite einer Glaskera­ mikplatte 44 ein Heizelement 37 der vorbeschriebenen Art angebracht sein. Um die Unebenheiten an der Unterseite der Glaskeramikplatte 44 auszugleichen, dient eine gut wärmeleitende Zwischenschicht 45, z.B. als Aluminium, auf die erst das Heizelement 37 satt aufgebracht ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist schematisch dargestellt eine aus Blechmaterial, z.B. aus Edelstahlblech bestehende Muldenplatte 46 einer Koch­ mulde. In Höhe der vorgesehenen Heizfläche besitzt diese Muldenplatte 46 eine nach unten vertiefte Ausprägung 47 mit Boden 48. In diese Einprägung 47 einge­ legt ist ein Heizelement 37′, dessen z.B. oberster Heizflächenträger etwa in Form einer Stahl- oder Aluminiumplatte mit den Rändern 49 nach unten gezogen ist und sich auf dem Boden 48 abstützt. Auf das Heizelement 37′ großflächig aufgelegt bzw. damit verbunden ist eine Abdeckplatte 50, die wiederum flächen­ bündig ist mit der Ebene der Muldenplatte 46. Diese Abdeckung kann z.B. aus Glas- oder Glaskeramikmaterial bestehen. Die Ausprägung 48 stabilisiert das Heizelement 37′, wobei im Zwischenraum zwischen Heizelement 37′ und Boden 48 wiederum ein Reflektor und/oder ein Wärmedämmstoff angeordnet sein kann.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist wiederum eine Muldenplatte 46′ ange­ deutet mit einer Öffnung 51. In Höhe dieser Öffnung 51 angeordnet oder in sie eintauchend ist ein Heizelement 37′′, das wiederum mit Heizleiterbahnen 4 so­ wie mit einem Heizflächenträger 52 versehen ist. Mit der Oberseite des Heiz­ flächenträgers 52 verbunden ist ein Tragelement 53, dessen Randzone 53′ nach unten winkelig abgebogen ist und sich praktisch linienförmig auf der Mulden­ platte 46′ abstützt. Hierdurch wird zwischen Heizelement 37′′ und Muldenplatte 46, eine Zone mit erhöhtem Wärmedurchflußwiderstand geschaffen, so daß eine seitliche Abwanderung der Heizenergie weitestgehend verhindert wird. Wie in Fig. 9 angedeutet, besitzt das Heizelement 37′′ eine innere ringförmige Heiz­ zone mit ringförmiger Heizleiterbahn 4′ und hiervon getrennt eine äußere Heiz­ zone mit ebenfalls ringförmiger Heizleiterbahn 4′′. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Zonenheizung, wobei die Heizleiterbahnen zusammen oder separat einschaltbar sind. Um die Wärmeenergie bei alleinigem Betrieb der inneren Heizzone, d.h. der Heizleiterbahn 4′, auf den zugehörigen Ringbereich zu kon­ zentrieren und zu begrenzen, ist rund um die innere Heizzone eine Wärmefluß- Barriere in Form einer Ringnut 54 vorgesehen. Durch diese Materialverengung wird eine Zwischenzone erhöhten Wärmedurchflußwiderstandes geschaffen.

Claims (14)

1. Heizelement für thermische Hausgeräte, insb. für Kochstellen, mit einem mindestens einen Heizwiderstand tragenden Träger mit einer Heizfläche, die mit dem zu beheizenden Gut in engem thermischen Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizwiderstand wenigstens eine in Flach­ leitertechnik, vorzugsweise in Dickschichtpasten-Technik ausgebildete Heiz­ leiterbahn (4) vorgesehen ist, die an einen Heizflächenträger thermisch eng angekoppelt ist und daß ein formstabiles Tragelement für die Heizleiterbahn vorgesehen ist.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Tragelement eine formstabile, die Heizfläche bildende Metallplatte (1, 30) vorgesehen ist, die vorzugsweise beidseitig mit einer Emailbeschichtung (2, 3; 32) vorgesehen ist, auf die die Heizleiterbahn aufgebracht ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ platte als aus kohlestoffarmen, emaillierfähigem Material bestehende Guß­ kochplatte (35) ausgebildet ist.

4. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte als dünne, vorzugsweise mehrere Heizflächen aufweisen­ de Blechmulde (46) ausgebildet ist.

5. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Heizflächenträger aus mehreren sandwichartig miteinander ver­ bundenen Schichten besteht.

6. Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizflächen­ träger mindestens eine dünne Stahlplatte (30) aufweist, die mit einer di­ ckeren Aluminiumschicht (31) verbunden ist, auf deren, eine Isolierschicht (32) bzw. eine emaillierte Stahlplatte (30) aufweisende Oberfläche die Heizleiterbahn (4) aufgebracht ist.

7. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Heizflächenträger eine Aluminiumplatte (39) vorgesehen ist, die an der, der Heizleiterbahn (4) zugewandten Oberfläche eine isolierende Beschichtung (40) trägt.

8. Heizelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der auf den Heizflächenträger aufgebrachten Heizleiterbahn (4) eine Isolierschicht (41) und darauf ein versteifender Aluminiumkörper (42) kleiner thermischer Masse vorzugsweise in Form eines Rippenkörpers befestigt ist.

9. Heizelement nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Aluminium bestehende Heizflächenträger mit einer Stahlplatte durch Preß- oder Einreibschweißung verbunden ist und vorzugsweise Einreibrippen besitzt.

10. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizflächenträger mit einem Träger aus Stahl oder anderem Material, z.B. Glas oder Glaskeramik durch Gießen oder Kleben fest verbunden ist.

11. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen Heizflächenträger bzw. Heizelement (37) und die Kochstel­ le darstellenden bzw. aufweisenden Träger (44) eine Unebenheiten ausglei­ chende, gut wärmeleitende Zwischenschicht (45) angeordnet ist.

12. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Unterseite des Heizflächenträgers bzw. Tragelementes bzw. Heizelementes ein Wärmestrahlen reflektierender Reflektor (34) angebracht ist.

13. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Tragelement für das Heizelement (37′) eine vertiefte Ausprä­ gung (47) in einer metallischen Muldenplatte (46) vorgesehen ist, auf deren Boden (48) sich der Heizflächenträger des Heizelementes abstützt.

14. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei­ chnet, daß zwischen dem Heizelement (37′′) und seinem Tragelement (46′) bzw. zwischen einzelnen Heizelementen des Heizelementes selbst der Heiz­ flächenträger Zwischen- oder Randzonen erhöhten Wärmedurchflußwiderstandes, z.B. Materialverengungen (54) vorgesehen sind.