DE4341035A1 - Beheizung mit einer Heizeinheit - Google Patents
Beheizung mit einer HeizeinheitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Beheizung, wie sie z. B. als
räumlich verhältnismäßig kleine, jedoch leistungsstarke
Heizeinheit zur Beheizung eines Mediums, wie eines Fluids, im
stehenden und/oder durchlaufenden Zustand verwendet wird. Die
Beheizung bildet dann für den Wärmeübergang zum Medium eine
thermische Abgabefläche, welche anstatt durch einen vermit
telnden Wärmeleitkörper unmittelbar durch die Beheizung
gebildet sein kann. Die Beheizung kann zur Erhitzung und/oder
Verdampfung einer Flüssigkeit, wie Wasser, verwendet werden
und daher z. B. zum Einbau in einen Eierkocher, eine Spülma
schine, ein Wasserbad, ein Warmhalte- bzw. Wasserbecken,
einen Durchlauferhitzer, einen Ölkocher, eine Friteuse oder
dgl. geeignet sein. Sie kann aber auch zur Erhitzung eines
gasförmigen Mediums, wie Luft, verwendet werden und dann z. B.
zum Einbau in die Strömungswege eines Gebläses geeignet sein.
Ferner kann sie zur Erwärmung eines Feststoffgegenstandes,
wie Speisegefäßen, vorgesehen und dann für den Einbau in
eine Warmhalteplatte oder dgl. geeignet sein.
Die Beheizung soll zweckmäßig eine Nennleistung von mehr als
50 bis 1000 Watt aufweisen, wobei je nach den spezifischen
Erfordernissen zwischen diesen Grenzwerten oder darüberhinaus
jede um 10 Watt erhöhte Zwischenstufe denkbar ist. Besonders
vorteilhaft ist eine Nennleistung der Heizeinheit von 250,
350, 500 bzw. 1000 Watt, da dann eine besonders günstige
Leistungsabstufung für die zu beheizenden Geräte möglich ist.
Andererseits soll die Beheizung bzw. Heizeinheit eine mög
lichst kleine Flächen- bzw. Dickenausdehnung haben, wobei
statt einer eckigen Außenform auch andere, insbesondere
zentrisch- bzw. spiegelsymmetrische Außenformen denkbar sind.
Die kleinste Weite bzw. Kantenlänge der Außenform kann in der
Größenordnung von 9 mm und die größte in der Größenordnung
von 150 mm liegen, wobei bevorzugt zwischen mindestens etwa
25 mm und höchstens 60 mm vorgesehen sind. Die auf die
Flächenausdehnung der Heizeinheit bezogene Leistungsdichte
kann zwischen mindestens etwa 3 und höchstens 40 Watt/cm²,
insbesondere bei Umströmung der Basis, der Widerstände bzw.
des Wärmeleiters mit einer kühlenden Flüssigkeit bis höch
stens 400 oder 500 Watt/cm² liegen, wobei je nach den Erfor
dernissen dazwischen jeder weitere, um 1 oder 10 Watt verän
derte Wert denkbar ist. Die Flüssigkeit kann wäßrig oder
ölig sein. Die maximale, gegebenenfalls durch geeignete
Sicherungsmittel zwangsläufig begrenzte Betriebstemperatur
soll höchstens 250° bis 300°C betragen, wobei die Siche
rungsmittel zweckmäßig so angeordnet bzw. wärmeleitend mit
der Heizeinheit verbunden sind, daß sie die Leistungszufuhr
bereits dann teilweise oder vollständig abschalten, wenn sie
selbst eine gegenüber der genannten Betriebstemperatur ge
ringere Temperatur von z. B. 140° bis 150°C erreicht haben.
Die Beheizung oder Heizeinheit besteht vorteilhaft aus einer
einschichtigen bzw. über ihre Dicke und/oder innerhalb ihrer
Außenkanten einteiligen bzw. demgegenüber anders ausgebil
deten Basis, die plattenförmig sein bzw. bis auf Bereiche
eventueller Durchbrüche voneinander abgekehrte parallele
größte Außenflächen aufweisen kann, welche über den größten
Teil der oder die gesamte Flächenausdehnung durchgehend eben
sein können.
An einer oder beiden Flächen ist ein Heizwiderstand oder sind
mehrere Heizwiderstände so angeordnet, daß sie z. B. durch
unmittelbare wärmeleitende Verbindung oder dgl. die Basis
direkt aufheizen und dadurch beheizte Basiszonen bilden.
Demgegenüber flächengrößere und innerhalb der zugehörigen
Flächenausdehnung liegende Bereiche der Basis sind nicht oder
thermisch wesentlich weniger direkt vom Heizwiderstand
beheizt, nämlich z. B. nur durch die wärmeleitende Ankoppelung
an die Basiszone. Solche Basisbereiche können auch in der
beschriebenen Weise mit mindestens einem Heizwiderstand
versehen sein und bilden unter Betriebsbedingungen dann einen
unbeheizten Basisbereich, wenn dieser Heizwiderstand nicht
oder nur mit einer Leistung betrieben wird, welche wesentlich
geringer als die Betriebsleistung des der beheizten Basiszone
zugehörigen Heizwiderstandes ist, da sich dann ähnliche
thermische Gefälle ergeben, wie wenn im unbeheizten Basis
bereich kein Heizwiderstand vorgesehen wäre.
Die Flächenausdehnung der unbeheizten Basisbereiche kann
gegenüber derjenigen der beheizten Basisbereiche mindestens
3- bis 4-fach oder höchstens 10- bis 12-fach größer sein,
wobei zwischen diesen Grenzwerten je nach den Erfordernissen
jeder um die Zahl 1 erhöhte Faktor denkbar ist. Die genannte
Außenweite der Basis kann gleich der größten linearen Ausdeh
nung des unbeheizten Basisbereiches oder gegenüber dieser
bzw. der rechtwinklig dazu liegenden kleinsten linearen
Ausdehnung um mindestens das 1,5- bis höchstens das 8-fache
größer sein, wobei je nach den Erfordernissen zwischen diesen
Grenzwerten jeder weitere, etwa um 0,5 abgestufte Faktor
denkbar ist.
Dadurch ergibt sich in den beheizten bzw. thermisch unmittel
bar an den Heizwiderstand flächig angekoppelten Basiszonen
eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte von mindestens 10
bis höchstens 350 oder 400 Watt/cm², wobei zwischen diesen
Grenzwerten je nach den Erfordernissen jede weitere Abstufung
um etwa 5 bis 10 Watt/cm² denkbar ist. Das hohe Gefälle der
Leistungsdichte zwischen den beheizten Basiszonen und den
unbeheizten Basisbereichen führt insbesondere dann zu be
trächtlichen thermischen Spannungen in der Basis, wenn diese
während einer Aufheizphase von einer unter 100°C bzw. bei
Raumtemperatur liegenden Temperatur auf ihre genannte Be
triebstemperatur in wenigen Sekunden aufgeheizt wird und eine
nur verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit von z. B.
weniger als 70, 50 oder 30 Watt/m und Kelvin aufweist, da
dann die am weitesten von den beheizten Basiszonen entfernten
Stellen der unbeheizten Basisbereiche noch kalt sind, während
die beheizten Basiszonen bereits angenähert ihre Betriebstem
peratur erreicht haben. Dadurch kann die Basis bzw. die
Heizeinheit oder die Beheizung beschädigt bzw. durch Span
nungsbruch zerstört werden. Andererseits kann es zur Er
zielung eines einfachen und insbesondere kostengünstigen
Aufbaues vorteilhaft sein, den Flächenanteil der beheizten
Basiszonen gegenüber demjenigen der unbeheizten Basisbereiche
nicht über die genannten Werte zu erhöhen, um möglichst wenig
Widerstandsmaterial zu benötigen.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, Nachteile bekannter
Ausbildungen zu vermeiden bzw. Vorteile der beschriebenen Art
zu erzielen oder weiter zu verbessern und insbesondere eine
Beheizung zu schaffen, welche bei kleiner Flächenausdehnung,
geringem Aufwand an Widerstandsmaterial und verhältnismäßig
großer Nennleistung eine hohe Funktionssicherheit bzw.
Standzeit hat.
Erfindungsgemäß wird in mindestens einer Betriebsphase,
insbesondere in der Aufheizphase wenigstens ein unbeheizter
Basisbereich, beispielsweise bezogen auf dessen von der
benachbarten beheizten Basiszone am weitesten entfernte
Stelle, so annähernd gleichlaufend mit der beheizten Basis
zone durch Wärmebeaufschlagung temperiert, daß das Tempera
turgefälle zwischen der beheizten Basiszone und dem unbeheiz
ten Basisbereich wesentlich niedriger ist, als es wäre, wenn
der unbeheizte Basisbereich nur durch Wärmeleitung innerhalb
der Basis bzw. zwischen deren Außenflächen erfolgen würde.
Zweckmäßig wird die hierfür benötigte Wärmeenergie zum
größten Teil bzw. ausschließlich vom Heizwiderstand bzw. von
der beheizten Basiszone entnommen und dem unbeheizten Basis
bereich über Wärmeleit-Querschnitte zugeführt, die auf dem
größten Teil des Leitweges außerhalb der durch die Basis
gebildeten Schicht bzw. außerhalb von deren Außenflächen
liegen. Die Wärmeleitung erfolgt dabei von der Wärmekopplung
mit dem Heizwiderstand quer zur Flächenerstreckung der Basis
in einen Wärmeleiter und etwa parallel zur Basis entlang des
Wärmeleiters sowie quer zurück in den unbeheizten Bereich,
wobei dieser Wärmestrom schneller, von höherer Leistung und
geringerem Temperaturabfall je Wegeinheit sein kann als
derjenige Wärmestrom, welcher im wesentlichen parallel dazu
durch die Basis unmittelbar an dieselbe Stelle des unbeheiz
ten Basisbereiches gelangt. An dieser Stelle ergibt sich eine
Art Wärmeleit-Kurzschluß.
Insbesondere wenn der Wärmeleiter die freiliegende ther
mische Abgabefläche der Beheizung an seiner von der Heizein
heit bzw. dem Heizwiderstand abgekehrten Seite bildet, kann
bei der Aufheizung diese Seite heißer als die davon abge
kehrte Seite der Heizeinheit bzw. der Basis sein, weil der
Wärmeleiter bei entsprechend guter thermischer Ankoppelung
von der beheizten Basiszone soviel Wärme abführt, daß diese
einerseits wirksam gekühlt und andererseits mit dieser Wärme
der unbeheizte Basisbereich rückbeheizt wird, so daß die
gesamte Wärmeverteilung in der Heizeinheit bzw. der Basis
auch in der Aufheizphase sehr gleichmäßig ist. Die Wärmeleit
fähigkeit des Wärmeleiters ist zweckmäßig 3- bis mindestens
7- oder mehrfach höher als die der Basis, wobei der Wärmelei
ter z. B. eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 Watt/m und
Kelvin haben kann, während die Basis eine Wärmeleitfähigkeit
von etwa 24 Watt/m und Kelvin hat. Die Wärmeleitfähigkeit
des Wärmeleiters kann derjenigen von Aluminium, Kupfer,
Messing, wärmeleitfähigen Kunststoffen, Legierungen bzw.
Mischungen aus den genannten Werkstoffen oder dgl. entspre
chen und sollte zweckmäßig mindestens 100 Watt/m und Kelvin
betragen, wobei der Wärmeleiter aus einem der genannten
Werkstoffe hergestellt sein kann und die Wärmeleitfähigkeit
wesentlich höher als die von Stahl bzw. rostfreiem Edelstahl
ist.
Statt dessen oder zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß die Heizeinheit durch eine im wesentlichen vollflächige
Anschlußverbindung bzw. eine Haftverbindung mit dem zu
beheizenden Bauteil z. B. derart verbunden ist, daß im wesent
lichen die gesamte, innerhalb der Außenkanten liegende
Außenfläche der Basis lückenlos und gleichmäßig thermisch an
diesen Bauteil gekoppelt ist, der den genannten Wärmeleiter
bilden kann. Die Haftverbindung kann durch eine fließfähig
aufgetragene und dann dauerelastisch ausgehärtete bzw.
vernetzte Schicht aus einem elektrisch isolierenden Zwei-
Komponenten-Kleber oder dgl., insbesondere einem Silikonkle
ber oder Silikonelastomer, durch ein doppelseitig haftendes
Klebeband, eine Ultraschall-Verschweißung, eine unmittelbare
Verpressung von aneinanderliegenden Oberflächen der Basis und
des Wärmeleiters oder dgl. bzw. eine beliebige Kombination
solcher Ausbildungen gebildet sein.
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Anschlußverbindung
kann in der Größenordnung der Basis bzw. des Wärmeleiters
oder wesentlich darunter, nämlich beispielsweise bei etwa
1,04 Watt/m und Kelvin liegen. Vorteilhaft wird die Anschluß
verbindung durch Erhitzung bei etwa 100° bis 200°C bzw. bei
einer Temperatur ausgehärtet, die etwa der Betriebstemperatur
der Beheizung entspricht, wobei dadurch die Aushärt- bzw.
Vernetzungszeit wesentlich verkürzt und/oder spannungsfrei
bzw. spannungsarm gemacht werden kann.
Insbesondere, wenn der Heizwiderstand auf der dem Wärmeleiter
zugekehrten Seite der Basis oder innerhalb der Anschlußver
bindung liegt, kann im wesentlichen vollflächig in diese
Anschlußverbindung noch mindestens eine Folie oder eine
ähnliche elektrisch isolierende Schicht von wenigen 1000-stel
Millimeter Dicke einbezogen sein, welche z. B. mit einer
Haftschicht unmittelbar am Heizwiderstand und der Basis sowie
auf ihrer davon abgekehrten Seite mit einer weiteren, demge
genüber dickeren Haftschicht am Wärmeleiter jeweils über die
gesamte Flächenausdehnung der Heizeinheit bzw. der Basis
befestigt ist. Die nur einseitig oder beiderseits mit einer
Haftschicht kaschierte Folie kann auch doppellagig sein,
wobei zwischen den beiden Lagen eine Haftverbindung vorgese
hen sein kann oder nicht, so daß die beiden Lagen auch ohne
unmittelbare, abhebfeste Verbindung aneinander anliegen. Eine
Lage ist haftend an der Basis bzw. am Heizwiderstand und die
andere Lage mit ihrer davon abgekehrten Seite am Wärmeleiter
haftend befestigt. Die Basis kann auch ohne Haftverbindung
federnd an den Wärmeleiter angedrückt sein, wodurch ggf. die
Folienlagen aneinandergepreßt werden. Als Isolierfolie ist
insbesondere eine Polyimid-Folie oder eine Folie mit entspre
chenden Werkstoffeigenschaften geeignet. Die wärmeleitende
Anschlußverbindung kann in Bereichen außerhalb des Widerstan
des die Basis unmittelbar mit dem Wärmeleiter verbinden und
z. B. über Kantenflächen, wie Außenkanten, der Basis vorste
hen, sowie an diese Kantenflächen nach Art von Kehlnähten
anschließen, so daß einerseits ein sicherer Halt der Heizein
heit und andererseits gewährleistet ist, daß thermisch verur
sachte Dickenänderungen der Anschlußverbindung nicht zu Be
lastungen des Heizwiderstandes führen.
Bei zwischenschichtfreier Befestigung der Basis an dem
Wärmeleiter ergibt sich eine im wesentlichen unmittelbare
Flächenverbindung zwischen diesen beiden Bauteilen. Ist eine
Zwischenschicht vorgesehen, so liegt deren Dicke zweckmäßig
im Bereich zwischen mindestens 10 µ und höchstens 1 bzw. 2
mm, wobei bevorzugt eine Dicke von weniger als 1/2 bzw. 1/10
mm, nämlich von etwa 50 µ vorgesehen ist. Dadurch bildet die
Zwischenschicht auch bei gegenüber der Basis wesentlich
geringerer Wärmeleitfähigkeit in ihrer Dickenrichtung keine
nennenswerte Wärmeleitsperre, obwohl sie parallel zu ihrer
Schichtebene wesentlich weniger wärmeleitend als die Basis
wirkt, so daß die genannten Wärmeleitwege zur Rückbeheizung
der unbeheizten Basisbereiche über den Wärmeleiter trotzdem
gut wärmedurchlässig sind.
Die Zwischenschicht weist zweckmäßig einen gegenüber der
Basis bzw. dem Wärmeleiter vielfach größeren thermischen
Längen- bzw. Volumenausdehnungskoeffizienten auf, wobei
letzterer jeweils etwa das 3-fache des Längenausdehnungsko
effizienten beträgt. Der Längenausdehnungskoeffizient des
Wärmeleiters kann z. B. über 10 bzw. unter 30 oder 25 ppm/
Kelvin liegen und etwa 1/6 bis 1/10 desjenigen der Zwi
schenschicht betragen. Der Längenausdehnungskoeffizient der
Basis ist demgegenüber noch wesentlich kleiner und beträgt
etwa 1/3 bis 1/4 desjenigen des Wärmeleiters bzw. höchstens
etwa 1/20 desjenigen der Zwischenschicht, wobei der Längen
ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht zwischen etwa 150
und 250, insbesondere bei 200 ppm/Kelvin liegen kann. Dadurch
können starke Unterschiede zwischen den thermischen Ausdeh
nungen der Basis und des Wärmeleiters gut aufgefangen werden,
insbesondere auch, weil die Zwischenschicht mit zunehmender
Erwärmung an Dicke und damit an Scherelastizität zunimmt.
Aluminiumoxid-Keramik weist einen Längenausdehnungskoeffizi
ent von etwa 6,5 und Aluminium einen Längenausdehnungskoeffi
zient von etwa 23,8 ppm/Kelvin auf. Die Zwischenschicht ist
bis mindestens 300°C dauertemperaturbeständig und wirkt quer
zu ihrer Schichtebene als Wärmeleiter, so daß sich ein sehr
günstiger thermischer Wirkungsgrad des Wärmeübergangs von der
Heizeinheit zur thermischen Abgabefläche des Wärmeleiters er
gibt. Auch unterschiedliche Ausdehnungen der Basis in unter
schiedlichen Basisbereichen können durch die Zwischenschicht
gut aufgefangen werden.
Unabhängig von den beschriebenen Ausbildungen ist es vorteil
haft, wenn mindestens ein langgestreckter oder geradliniger
bzw. zu mindestens einer Außenkante der Basis paralleler Ab
schnitt des jeweiligen Heizwiderstandes in mindestens 2 bis
höchstens 30 in Serie hintereinandergeschaltete Widerstands
abschnitte unterteilt ist, wobei zwischen diesen Grenzwerten
je nach den Erfordernissen jede weitere Zahl denkbar ist. Der
Abstand zwischen benachbarten Widerstandsabschnitten ist
kleiner als deren Länge bzw. Breite, wobei die Länge des je
weils langgestreckten Widerstandsabschnittes bis zu 3- oder
4-fach bzw. höchstens 6-fach größer als seine Breite sein
kann und zweckmäßig etwa doppelt so groß wie diese Breite
ist, während der Zwischenabstand nur etwa der Hälfte dieser
Breite entspricht.
Die genannten Maße und Verhältnisse gelten insbesondere bei
vollflächiger thermischer Ankoppelung der Widerstandsab
schnitte auch für die beheizten Basiszonen, wobei auch im
Winkel und Abstand aneinander anschließende Widerstandsab
schnitte vorgesehen sein können. Vorteilhaft sind Wider
standsabschnitte hinsichtlich ihrer geometrischen bzw.
thermisch wirksamen Anordnung annähernd gleichmäßig über den
gesamten Umfang der Basis ringartig geschlossen sowie mit
etwa konstantem Abstand von den Basisaußenkanten angeordnet,
so daß sich eine sehr gleichmäßige thermische Belastung der
Basis beim Anheizvorgang ergibt. Hierfür können auch die im
Winkel in Serie aneinander anschließenden Widerstandsab
schnitte geringfügig größer bzw. Leistungsstärker als die
dazu benachbarten Widerstandsabschnitte sein. Je nach gefor
derter Leistung von z. B. etwa 1000 Watt, kann auch im Abstand
innerhalb eines äußeren, zu den Basisaußenkanten nächsten
Heizwiderstandes mindestens ein weiterer Heizwiderstand
angeordnet sein und ebenfalls etwa konstante Abstände zu den
Basisaußenkanten haben bzw. ringartig geschlossen sein. Der
jeweilige äußere bzw. innere Heizwiderstand kann in zwei etwa
gleich große bzw. leistungsstarke Einzelwiderstände insofern
unterteilt sein, als diese parallelgeschaltet angeschlossen
sind, jedoch nur über zwei Anschlußstellen, die jeweils zwei
benachbarte Widerstandsabschnitte verbinden.
Obwohl andere Widerstandsausbildungen möglich sind, ist es
zweckmäßig, den jeweiligen Widerstand, Einzelwiderstand bzw.
Widerstandsabschnitt als Dickschichtwiderstand auszubilden,
der in pasteusem Zustand auf die zugehörige Außenfläche der
Basis aufgedruckt und dann ausgehärtet wird, so daß er eine
Schichtdicke von z. B. etwa 15 bis 20 µ hat. Der Werkstoff des
Widerstandes ist vorteilhaft rutheniumoxidhaltig. Elektrisch
leitende Leiterverbindungen zwischen den Widerständen,
Einzelwiderständen bzw. Widerstandsabschnitten können durch
Schichten der beschriebenen Art gebildet sein, die jedoch
gegenüber den heizwirksamen Widerständen einen wesentlich
geringen Widerstandswert haben und z. B. Silber, Palladium
und/oder Platin enthalten, wobei ihre Schichtdicke zwischen
etwa 12 und 15 µ liegen kann. Diese Leiterschichten, die auch
zur elektrischen Verbindung mit Anschlußgliedern für Geräte
leitungen, Steuerelementen oder dgl. dienen, werden zuerst
auf die Basis aufgebracht, wonach die Widerstandsschichten so
aufgebracht werden, daß beide Enden des jeweiligen Wider
standsabschnittes zwei im Abstand zueinander liegende Leiter
schichten geringfügig überdecken und dadurch mit diesen
elektrisch leitend verbunden sind.
Durch die beschriebene Ausbildung kann mit einem verhältnis
mäßig geringem Aufwand an Widerstandsmaterial bzw. bei
verhältnismäßig geringem Flächenanteil der unmittelbar
beheizten Basiszonen eine sehr hohe Heizleistung erreicht
werden, wobei bei nur einem einzigen, entlang der Basisaußen
kanten verlaufenden Heizwiderstand bzw. Heizkreis etwa 600
Watt Heizleistung und bei zwei ineinanderliegenden, gegebe
nenfalls parallelgeschalteten Heizkreisen ein Heizwiderstand
von etwa 1000 Watt bei einer Flächengröße der Heizeinheit
bzw. Basis von nur etwa 25 cm² erreicht werden kann. Eine
solche Ausbildung eignet sich insbesondere zur Erwärmung bzw.
Erhitzung der genannten Flüssigkeiten, weil diese dann über
den Wärmeleiter als Aktivkühlung für die Heizeinheit bzw. die
Basis dienen.
Die Plattendicke der Basis liegt zweckmäßig wesentlich unter
oder etwa in der Größenordnung der Dicke des Wärmeleiters
sowie vielfach über der Dicke der Zwischenschicht, nämlich
zwischen mindestens etwa 0,4 bis höchstens 6 mm, wobei
bevorzugte Zwischenwerte bei 0,6, 0,8, 1,0 und 1,3 mm liegen.
Die Plattendicke ist zweckmäßig über die gesamte Erstreckung
der Basis konstant, so daß sich eine sehr einfache Herstel
lung ergibt.
Unabhängig von den beschriebenen Ausbildungen ist es vorteil
haft, wenn Sicherungsmittel vorgesehen sind, welche bei einer
Überhitzung und/oder Ablösung der Heizeinheit vom Wärmeleiter
bzw. vom zu beheizenden Bauteil eine Unterbrechung der
elektrischen Leistungszufuhr und/oder eine derartige Zerstör
ung der Heizeinheit bewirken, daß der durch sie gebildete
Stromkreis unterbrochen wird. Ein Schutzschalter kann unmit
telbar an der Basis, zweckmäßig an deren vom Wärmeleiter
abgekehrten Außenseite befestigt und mit dem jeweiligen
Heizwiderstand thermisch im wesentlichen ausschließlich durch
Wärmeleitung über die Basis, die Zwischenschicht und/oder den
Wärmeleiter gekoppelt sein, so daß ein thermodynamisch
wirksames Fühlelement, wie ein Bimetall, die Abschaltung
bereits bewirkt, wenn es eine gegenüber dem Wärmeleiter
niedrigere Temperatur hat. Diese, bei steigender Temperatur
gegebene Wirkungsweise wird im Dauerbetrieb insbesondere dann
umgekehrt, wenn ein Medium mit verhältnismäßig niedrigem
Siedepunkt zwischen etwa 100° und 180°C erwärmt wird, weil
in diesem Fall die Temperatur der Basis an ihrer vom Wärme
leiter abgekehrten Seite und im Zentrum des unbeheizten
Basisbereiches höher liegen kann als auf der dem Wärmeleiter
zugekehrten Seite.
Fällt dagegen die Heizeinheit wegen Zerstörung der thermi
schen Anschlußverbindung vom Wärmeleiter ab, so wird die
Kühlwirkung durch den Wärmeleiter bzw. dem zugehörigen
Bauteil und das zu beheizende Medium unterbrochen und die
Basis gegebenenfalls vor Ansprechen des Schutzschalters in
kürzester Zeit so stark aufgrund der weiteren Leistungszufuhr
partiell aufgeheizt, daß die Basis durch Wärmespannungen
platzt, der Heizwiderstand im Bereich der Risse zwischen den
Basis-Bruchstücken ebenfalls reißt und so der Stromkreis
bereits nach höchstens 1 bis 2 oder 3 bis 4 Sekunden unter
brochen wird.
Anstatt den Schutzschalter, Anschlußglieder für Gerätelei
tungen oder dgl. durch Lötung bzw. mit Leiter- oder Lötpaste
an der Basis zu befestigen, können diese auch durch Schwei
ßung befestigt werden, wodurch sich eine wesentlich höhere
Temperaturfestigkeit, nämlich eine Temperaturfestigkeit
ergibt, die oberhalb derer der Zwischenschicht liegt. Um im
Falle einer Heizeinheit mit zwei oder mehr Heizkreisen die
genannten zusätzlichen Bauteile mit Abstand innerhalb des
Außenumfanges der Basis unterbringen zu können, können die
beiden Heizkreise geringfügig exzentrisch zueinander liegen,
wodurch zwischen ihnen unbeheizte streifenförmige Basis
bereiche größerer und kleinerer Breite gebildet und die
breiteren Basisbereiche für die Anordnung dieser Bauteile
geeignet sind.
Als Schutzschalter sind insbesondere Unterbrecher bzw.
Anordnungen geeignet, wie sie in der deutschen Patentanmel
dung P 43 04 436.0 erläutert sind, auf die wegen weiterer
Merkmale und Wirkungen zur Einbeziehung in die vorliegende
Erfindung Bezug genommen wird. Im Gegensatz zu einem eben
falls denkbaren PCT-Temperaturwächter kann auch ein mechani
scher Temperaturschalter, wie ein Schnappschalter vorgesehen
sein, welcher durch eine gesonderte, gegenüber den Heiz
widerständen wesentlich leistungsschwächere und mit diesen
parallelgeschaltete Steuerbeheizung und/oder durch eine
entsprechende thermische Verformung seines Bimetalles im
Unterbrechungszustand gehalten werden kann, obwohl der oder
die Heizwiderstände abgeschaltet sind.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei
die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu
mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausfüh
rungsform der Erfindung und aufanderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh
rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich
nungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Beheizung in Ansicht
auf die Heizebene,
Fig. 2 die Heizeinheit gemäß Fig. 1 in Ansicht
parallel zur Heizebene,
Fig. 3 einen Ausschnitt der Fig. 2 in wesentlich
vergrößerter, geschnittener und um 180°
verdrehter Darstellung,
Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen in Darstellungen
nach Fig. 3,
Fig. 6 und 7 eine weitere Ausführungsform in Darstellungen
entsprechend den Fig. 1 und 2 und
Fig. 8 und 9 zwei weitere Ausführungsformen in Darstel
lungen entsprechend Fig. 6.
Die Beheizung 1 weist eine vollständig als vormontierte
Baueinheit ausgebildete Heizeinheit 2 auf, die ihrerseits als
flächengrößten sowie in Ansicht gem. Fig. 1 an einer bis vier
Seiten am weitesten vorstehenden Bauteil eine plattenförmige
Basis 3 aufweist, welche den Träger für alle übrigen Bestand
teile der Heizeinheit 2 bildet. Die aus einer ebenen Platte
herausgetrennte Basis 3 ist im wesentlichen zug-, druck-
und/oder biegesteif, spröde brechend und über ihre Gesamt
dicke durchgehend einteilig aus Keramik oder dgl. mit einer
Dicke in der Größenordnung von etwa 1 mm hergestellt. Sie
trägt eine Widerstandsanordnung 4 mit im wesentlichen zwei
Heizwiderständen 5, 6, von denen einer oder beide näher bei
den Außenkanten der Basis 3 als bei deren Zentrum so liegen
können, daß ein vom jeweiligen Heizwiderstand im wesentlichen
eingeschlossenes Feld flächengrößer als das diesen außen um
gebende bzw. das von ihm bedeckte Feld ist. Die Basis 3 ist
mit einer Plattenfläche an Wärmeleitmitteln bis zu ihrem
Außenumfang befestigt, welche im wesentlichen durch einen
plattenförmigen Wärmeleiter 7 mit einer Dicke in der Größen
ordnung von 2 mm gebildet ist. Im Bereich der Basis 3 ist der
Wärmeleiter 7 durchgehend eben sowie ebenenparallel zur Basis
3 vorgesehen. Auf der vom Wärmeleiter 7 abgekehrten Seite
trägt wie Basis 3 im Feld innerhalb eines äußeren Heizwider
standes 5 bzw. annähernd im Zentrum einen Schalter 8 oder
dgl., welcher über diese Plattenseite um mehr als die Plat
tendicke vorstehen kann und z. B. als Bimetall-Schnappschei
ben-Thermostat ausgebildet ist. Der Schutzschalter 8 kann den
Stromkreis nur für eine Teilleistung bzw. einen Widerstand
oder alle Widerstände unterbrechen.
Die von der Basis 3 abgekehrte Fläche des Wärmeleiters 7
bildet unmittelbar diejenige Abgabefläche 9, über welche das
zu beheizende Medium durch Berührung bzw. Anlage und wärme
leitenden Übergang thermisch zu beaufschlagen ist, wobei der
Wärmeleiter 7 wenigstens in diesem Bereich über seine im
wesentlichen konstante Dicke durchgehend einteilig ausgebil
det ist. An der davon abgekehrten Seite ist ausschließlich
die Basis 3 der Heizeinheit 2 mit einer Anschlußverbindung 10
befestigt, welche eine sehr dünne Zwischenschicht 11 enthal
ten kann, so daß die Anschlußverbindung 10 zwischen dem
Wärmeleiter 7 und der Basis 3 praktisch keinerlei Wärmespei
cherkapazität hat, sondern die von der Basis 3 kommende Wärme
nahezu verzögerungsfrei an den Wärmeleiter 7 abgibt. Die
Zwischenschicht 11 reicht im wesentlichen nur bis zu den im
rechten Winkel zueinander liegenden Außenkanten 12 der qua
dratischen Basis 3 und kann darüber geringfügig vorstehen,
so daß sie gemäß Fig. 2 im einspringenden Winkel zwischen der
Kantenfläche 12 und der zugehörigen Oberfläche des Wärmelei
ters 7 eine verdickte Kehlnaht bildet. Hier sind alle Bauele
mente der Heizeinheit 2 an der vom Wärmeleiter 7 abgekehrten
Plattenfläche 13 vorgesehen, so daß die davon abgekehrte
Befestigungs- bzw. Plattenfläche 14 ausschließlich aus einem
einzigen, porigen Werkstoff besteht, welcher eine sehr gute
Haftverbindung mit dem Wärmeleiter 7 gewährleistet. Der
Wärmeleiter 7 steht über alle Außenkanten 12 um mehr als die
Außenweite der Basis 3 vor.
Der an der Plattenfläche 13 angeordnete, strangförmig langge
streckte Heizwiderstand 5 verläuft mit konstantem und in der
Größenordnung seiner Strangbreite liegenden Abstand parallel
zu den Außenkanten 12, so daß er ohne Abzweigungen einen
geschlossenen, leitenden und rechteckigen bzw. quadratischen
Ring bildet, der vom Zentrum der Basis 3 einen 3- bis 5-fach
größeren Abstand als vom Außenumfang 12 hat. Der Heizwider
stand 5 ist in zwei Einzelwiderstände 15 etwa gleicher Flä
chengröße bzw. gleichen Widerstandswertes unterteilt, die
jeweils U-förmig mit unterschiedlicher Schenkellänge ausge
bildet sowie parallel geschaltet sind, wobei jeweils zwei
Schenkelbeider Einzelwiderstände 15 miteinander fluchten und
mit ihren einander zugekehrten Enden gemeinsam leitend ange
schlossen sind.
Der Heizwiderstand 5 bzw. der jeweilige Einzelwiderstand 15
besteht aus in Serie hintereinander geschalteten Widerstand-
Abschnitten 16, 17 von etwa 3 mm Breite und 5 bis 7 mm Länge,
deren einander zugekehrte Enden in einem Abstand von etwa 1
bis 2 mm voneinander liegen. Die Abschnitte 16, 17 sind par
allel zum Widerstand langgestreckt rechteckig und weisen über
ihre Länge durchgehend konstante Widerstandsquerschnitte auf.
Ihre Enden sind über schichtförmige Leiter 18, 19 miteinander
verbunden, die quer zum Widerstand 5 langgestreckt sind bzw.
eine gegenüber den Abschnitten 16, 17 geringfügig größere
Breite haben, so daß sie von den Enden der Abschnitte 16, 17
um etwa 1/2 bis 1 mm überlappt und dadurch mit diesen elek
trisch leitend verbunden werden. Im Bereich der zusammenfal
lenden Eckzonen des Widerstandes 5 und der Basis 3 ist der
jeweilige Leiter dreieckförmig ausgebildet und verbindet zwei
im Winkel zueinander liegende Abschnitte 17, die geringfügig
länger als die zwischen ihnen liegenden Abschnitte 16 sind,
so daß auch die Eckzonen der Basis 3 etwa gleich thermisch
belastet sind, wie deren zwischen diesen Eckzonen liegende
Streifenbereiche. Alle Abschnitte 16, 17 haben jedoch gleiche
Breite, Dicke bzw. Widerstandsquerschnitte. Im Bereich jedes
geradlinigen Längsabschnittes des Widerstandes 5 sind drei
kürzere bzw. gleich lange und zwei längere sowie ihrerseits
ebenfalls gleich lange Abschnitte 16, 17 vorgesehen.
Jeder Widerstands-Abschnitt 16, 17 ist über seine gesamte
Flächenausdehnung thermisch unmittelbar eng und vollflächig
an die poröse Plattenfläche 13 angekoppelt, wodurch die
entsprechende Fläche der Basis 3 eine unmittelbar beheizte
Basiszone 20 bestimmt, die etwa um 1/5 kleiner als die
Restfläche der Plattenfläche 13 ist. Diese Restfläche be
stimmt einen unbeheizten Basisbereich 21 insofern, als dieser
Basisbereich nur durch Wärmeleitung über den Querschnitt der
Basis 3 von den Abschnitten 16, 17 und nicht wie die Basis
zone 20 unmittelbar beheizt wird. Ist die Basis 3 an der von
der Abgabefläche 9 abgekehrten Oberfläche 22 des Wärmeleiters
7 befestigt, so wird der Basisbereich 21 insbesondere über
diesen Wärmeleiter 7 durch die Abschnitte 16, 17 beheizt; die
von den Leitern 18 bedeckten Anteile des Basisbereiches 21
sind jedoch von den Abschnitten 16, 17 so eng flankiert, daß
sie auch überwiegend durch Wärmeleitung in der Basis 3 be
heizt sein können.
In Fig. 3 ist bei 23 das geometrische und thermische Zentrum
des Basisbereiches 21 der Basis 3 bzw. des vom Widerstand 5
umschlossenen Feldes angedeutet, wobei dieses Zentrum 23 von
dem in Fig. 3 nicht dargestellten Schalter 8 so überdeckt
ist, daß dessen Temperaturfühler wärmeleitend eng an dieses
Zentrum 23 bzw. die Plattenfläche 13 angekoppelt ist. Einer
der Leiter 19 erstreckt sich vom Widerstand 5 unter den
Schalter 8 bzw. einen an diesem vorgesehenen Anschluß,
welcher mit dem Leiter 19 durch Lötung, Schweißung oder
dgl. flächig verbunden sein kann.
Der andere Leiter 19 ist an ein Anschlußglied 24 für eine
Geräteleitung angeschlossen, welches mit Abstand benachbart
zum Schalter 8 innerhalb des vom Widerstand 5 umschlossenen
Feldes an der Plattenfläche 13 befestigt ist. Beide Leiter 19
greifen mit ihren zugehörigen Enden in der anhand des Leiters
18 beschriebenen Weise zwischen die Enden zweier Abschnitte
16 bzw. zweier miteinander fluchtender Widerstandsschenkel
ein. Parallel zu der am nächsten liegenden Außenkante 12 und
mit etwa gleichen Abständen von den quer dazu liegenden
Außenkanten 12 ist mit Abstand benachbart zum Anschlußglied
24 innerhalb des genannten Feldes ein weiteres, gleichartiges
Abschlußglied 25 vorgesehen, das hier mit dem Anschlußglied
24 über einen durchgehend einteiligen Heizwiderstand 6 elek
trisch leitend verbunden ist.
Dieser Widerstand 6 liegt parallel zum am nächsten benachbar
ten Abschnitt des Widerstandes 5 bzw. zur zugehörigen Außen
kante 12 und mit Abstand zwischen diesem Abschnitt und dem
Schalter 8 in dem genannten Feld, wobei er wie die Abschnitte
16, 17 als Schichtwiderstand etwa gleicher Breite, jedoch
größerer Länge ausgebildet ist und somit sein Bereich zur
beheizten Basiszone 20 gehört. Durch die Aufteilung in
Abschnitte 16, 17 bzw. 6 weist der einzelne Abschnitt eine
Nennleistung von mindestens 10 bis höchstens 100 oder 50 Watt
auf, wobei die Abschnitte 16 zweckmäßig eine Leistung von
etwa 20 Watt, die Abschnitte 17 eine demgegenüber annähernd
um die Hälfte größere Leistung von etwa 30 Watt und der
Abschnitt 6 eine Leistung von etwa 50 Watt hat. Ist der
Heizwiderstand 6 nicht vorgesehen, so ist das Anschlußglied
25 zweckmäßig mit dem dem Anschluß des Schalters 8 dienenden
Leiter 19 elektrisch verbunden.
Der Schalter 8 weist im Abstand von der Basis 3 ein etwa
parallel zu dieser frei ausragendes Anschlußglied 26 für eine
Geräteleitung auf. Zum elektrischen Anschluß der Heizeinheit
2 wird, je nachdem, ob der Heizwiderstand 6 betrieben werden
soll oder nicht, eines der beiden Anschlußglieder 24, 25
sowie das Anschlußglied 26 an eine Geräteleitung ange
schlossen, so daß der Strom über den Schalter 8 dem Wider
stand 5 bzw. den Einzelwiderständen 15 und ggf. dem Wider
stand 6 zugeführt wird. Von den Anschlußgliedern 24, 25 kann
dann eines bzw. das frei gebliebene zum Anschluß einer
weiteren Heizeinheit 2 dienen, nämlich mit einem von deren
Anschlußgliedern 24 bis 26 verbunden werden, so daß benach
barte Heizeinheiten in Serie und/oder Parallelschaltung
miteinander verbunden werden können.
Die Anschlußglieder 24 bis 26 sind z. B. durch Stecker, wie
Flachsteckzungen, gebildet, an welchen die Geräteleitungen
mit entsprechenden Gegensteckern zerstörungsfrei leicht
lösbar angeschlossen werden können. Die Anschlußglieder 24,
25 sind durch winkelförmige Platten gebildet, deren einer
Winkelschenkel das Anschlußglied 24, 25 bildet, während der
anderen Platten- bzw. Winkelschenkel 27 mit seiner Platten
außenseite vollflächig an der Plattenfläche 13 durch Schwei
ßen, Löten oder dgl. befestigt ist. Zur Befestigung der An
schlußglieder bzw. des Schalters sind keine Durchbrüche oder
Vertiefungen in der Basis 3 erforderlich. Die Anschlußglieder
24, 25 stehen rechtwinklig bzw. parallel zueinander von der
Basis 3 ab und weisen eine entsprechende Steckrichtung auf.
Ein Teil der Leiterschichten oder alle Leiterschichten bzw.
an diesen befestigte Anschlußteile können mit einer elek
trisch isolierenden Schicht, z. B. mit Silikon im wesentlichen
vollflächig bzw. geringfügig über ihre Flächenausdehnung hin
aus abgedeckt sein, wobei diese Schicht ein Elastomer sein
kann und aus ihr heraus nur die Anschlußglieder 24, 25 vor
stehen.
Vom jeweiligen Widerstands-Abschnitt 16 bzw. der unmittelbar
beheizten Basiszone 20 führt ein Wärme-Leitweg 28 quer durch
die Basis 3, die Zwischenschicht 11 in den einschichtigen
Wärmeleiter 7, entlang diesem sich über die gesamte Erstrec
kung des unbeheizten Basisbereiches 21 ausbreitend sowie
durch die Zwischenschicht 11 zurück in die Basis 3 und zu
deren Plattenfläche 13, wobei in Fig. 3 insbesondere die
Verhältnisse hinsichtlich des Zentrums 23 angedeutet sind.
Ein entsprechender Wärme-Leitweg 29 führt vom jeweiligen
Abschnitt 16 zwischen den Plattenflächen 13, 14 unmittelbar
entlang der Basis 3 zur jeweils selben Stelle. Die Abstände
zwischen benachbarten bzw. einander gegenüberliegenden
Widerstandsabschnitten, die Querschnittsbemessungen der
Wärmeleiter 3, 7, 11 und deren physikalische Materialeigen
schaften, insbesondere deren Wärmeleitfähigkeiten, sind so
aufeinander abgestimmt, daß der Wärmestrom 30 entlang des
Leitweges 28 alle diejenigen Stellen des Basisbereiches 21
schneller und mit höherer Heizleistung erreicht als der
Wärmestrom 31 entlang des Leitweges 29, welche bereits in
verhältnismäßig geringem Abstand von den Basiszonen 20
liegen, wobei dieser Abstand etwa in der Größenordnung der
Streifenbreite des Widerstandes 5 bzw. 6, der Basiszone 20
bzw. des zwischen dieser und der benachbarten Außenkante 12
vorgesehenen unbeheizten Streifens liegen kann, gegenüber
welchem der entsprechende Abstand des Zentrums 23 und daher
der thermischen Ankopplung des Schalters 8 wesentlich größer
ist.
Hinsichtlich seiner Schaltfunktion wird daher der Schalter 8
im wesentlichen nur durch den Wärmestrom 30 und allenfalls
vernachlässigbar auch durch den Wärmestrom 31 beaufschlagt,
wenn beim Anheizvorgang ein zunächst starkes Temperaturgefäl
le zwischen der Basiszone 20 und dem Basisbereich 21 ausge
glichen wird. Durch diese Wärmefluß-Differenz zwischen den
Wärmeströmen 30, 31 erfolgt von außerhalb der Basis 3 eine
sehr schnelle Erwärmung der Basisbereiche 21 über die gesamte
Basisdicke, wobei diese Erwärmung nur sehr geringfügig
derjenigen hinterherläuft, welche in der Basiszone 20 über
die Basisdicke gegeben ist. Alle genannten Eigenschaften
können auch nur angenähert bzw. im wesentlichen wie angegeben
oder davon wesentlich abweichend vorgesehen sein.
In den Fig. 1 bis 9 sind für einander entsprechende Teile
die gleichen Bezugszeichen, jedoch mit unterschiedlichen
Buchstaben-Indizes verwendet, weshalb alle Beschreibungsteile
sinngemäß für alle Ausführungsformen gelten und die Merkmale
aller Ausführungsformen beliebig miteinander kombinierbar
sind.
Die Heizwiderstände können auch ausschließlich an der Plat
tenfläche 14a oder an beiden Plattenflächen 13a, 14a vor
gesehen sein, wobei die Plattenfläche 13 bzw. 13a im Be
triebszustand wie die zugehörigen Widerstände im wesentlichen
unabgedeckt freiliegen kann. Der Widerstands-Abschnitt 16a
ist gemäß Fig. 4 bis auf seine Anschlußfläche zur Plattenflä
che 14a vollständig eng umschlossen in die Zwischenschicht
11a eingebettet, hat jedoch vom zug-, druck- und/oder biege
steifen Wärmeleiter 7a bzw. von dessen Oberfläche 22a einen
Abstand, der mindestens so groß wie seine Dicke ist. An der
der Oberfläche 22a zugekehrten Schichtfläche des Widerstandes
16a kann zusätzlich zur elektrisch isolierenden Zwischen
schicht 11a eine weitere Isolierschicht, z. B. eine doppella
gige Folie 32, haftend anliegen, wobei dann das Material der
Zwischenschicht 11a zwischen diese Folie 32 und den Wider
stand 16a sowie zwischen die Oberfläche 22a und die Folie 32
eingreift. Der vom Widerstand 16a ausgehende Wärmestrom
braucht nicht die Dicke der Basis 3a zu durchlaufen, sondern
gelangt über die Oberfläche 22a unmittelbar in den Wärmelei
ter 7a, so daß er die zugehörigen unbeheizten Basisbereiche
noch schneller aufheizt.
Gemäß Fig. 5 kann die Zwischenschicht 11b auch so ausgebildet
sein, daß ihre Wärmeleitfähigkeit mindestens so groß wie die
der Basis 3b bzw. des Wärmeleiters 7b oder demgegenüber
größer ist, wobei dann die Zwischenschicht 11b auch verhält
nismäßig dick ausgebildet werden kann. In eng anliegendem
Kontakt mit den Oberflächen 14b, 22b können wärmeleitende
Partikel aus Kupfer oder dgl. vorgesehen sein, welche druck
feste Distanzglieder zwischen der Basis 3b und dem Wärmelei
ter 7b bilden und z. B. durch kleinste Kugeln oder dgl. derart
gebildet sind, daß zwischen den Oberflächen 14b, 22b nur eine
Lage von Partikeln 33 vorgesehen ist und benachbarte Partikel
durch unmittelbare gegenseitige Anlage thermisch eng aneinan
der angekoppelt sind. Alle Resträume sind mit dem genannten
elastischen bzw. haftenden Material, wie einem Kleber, ausge
füllt, welcher auch die Partikel 33 eng umschließt und gegen
einander lagesichert. Die der Partikelgröße gleiche Dicke der
Zwischenschicht 11b kann auch hier weit unterhalb von 2 oder
1 mm liegen. Bei dieser Ausbildung kann ein Teil des Wärme
stromes 30 auch entlang der Anschlußverbindung 10b in die
Basisbereiche 21 fließen.
Gemäß den Fig. 6 und 7 ist der Heizwiderstand 6c ebenfalls
durch um ein Zentrum sich erstreckende, im Winkel zueinander
liegende und ringartig geschlossene Widerstandsabschnitte
gebildet, die jeweils zwischen zwei Eckbereichen einteilig
durchgehen, in den Eckbereichen durch Leiterschichten 18c
elektrisch leitend miteinander verbunden sind und parallel
zum jeweils am nächsten benachbarten Längsabschnitt des
Widerstandes 5c liegen. Die Heizleistung des jeweiligen
Abschnittes des Widerstandes 6c kann größer als die der
Abschnitte 16c, 17c sein, jedoch ist ihre Streifenbreite
gegenüber der der Abschnitte 16c, 17c zweckmäßig kleiner.
Der Widerstand 6c ist gegenüber dem Zentrum des Widerstandes
5c bzw. der Basis 3c geringfügig exzentrisch versetzt, so daß
die zwischen beiden Widerständen 5c, 6c begrenzte, rechteckig
ringartig geschlossene Streifenzone der Plattenfläche 13c
einen Winkelstreifen mit größerer Streifenbreite und einen
Winkelstreifen mit kleinerer Streifenbreite bildet. In einem
Schenkel des breiteren Winkelstreifens ist der langgestreckte
Schalter 8c parallel zu diesem Schenkel angeordnet, und im
anderen breiteren Winkelschenkel sind die Anschlußglieder
24c, 26c befestigt, von denen in Fig. 6 nur die Leiterfelder
angedeutet sind, auf welchen die Anschlußglieder zu befesti
gen sind. Das Leiterfeld 25c für das dritte Anschlußglied
befindet sich im Übergangsbereich zwischen einem schmaleren
und einem breiteren Streifenschenkel und bildet mit dem einen
Leiter 19c eine gemeinsame Leiterschicht.
Der Widerstand 6c ist seinerseits in zwei Einzelwiderstände
etwa gleicher Leistung unterteilt, die jeweils winkelförmig
sind und aus zwei in Serie hintereinander geschalteten,
jeweils geradlinigen Widerstands-Abschnitten bestehen. Die
Einzelwiderstände des Widerstandes 6c sind dadurch parallel
geschaltet, daß jeweils einer von zwei diagonal einander
gegenüberliegenden Leitern 18c mit dem zugehörigen Leiter 19c
eine gemeinsame Leiterschicht bildet, wodurch auch der
Widerstand 6c bzw. dessen Einzelwiderstände mit dem Wider
stand 5c bzw. dessen Einzelwiderstände 15c parallelgeschaltet
sind. Das Anschlußglied 26c ist in diesem Fall unmittelbar an
der Basis 3c bzw. der Plattenfläche 13c in der beschriebenen
Weise befestigt, so daß der Schalter 8c nur über Leiter
schichten der Basis 3c anzuschließen ist. Zwischen den
Leiterfeldern 25c, 26c erstreckt sich unter dem Schalter 8c
eine mäanderförmig verlaufende Steuerheizung 34, die unmit
telbar auf das Schalt-Bimetall des hier als Schnappschalter
ausgebildeten Schalters 8c wirkt und auch bei geöffnetem
Schalter 8c weiter betrieben wird, so daß der Schalter 8c
nicht wieder schließt, sondern nach Art einer Selbsthaltung
geöffnet bleibt, weil die Steuerheizung 34 trotz Abschaltens
der Widerstände 5c, 6c an die Leiterfelder 25c, 26c ange
schlossen und daher in Betrieb bleibt.
Die lichte Weite des vom Widerstand 6c umschlossenen und das
Zentrum einschließenden Feldes ist größer als die Breite des
den Widerstand 6c bis zum Widerstand 5c umgebenden Streifen
feldes, wobei die Basis 3c im Bereich des Zentrums mit einem
kreisförmigen oder anderen Durchbruch 35 versehen sein kann,
dessen Weite etwa in der Größenordnung der mittleren Strei
fenbreite dieses Streifenfeldes liegen kann und der mit
Abstand vom Widerstand 6c liegt. Dadurch können thermische
Spannungen im Zentrum der Basis 3c noch weiter vermieden
werden. Bei dieser Ausführungsform liegt das thermisch
wirksame Schaltglied des Schalters 8c etwa in der Mitte
zwischen zwei benachbarten Längsabschnitten der beiden
Widerstände 5c, 6c, so daß von beiden Längsabschnitten
annähernd gleiche Wärmeströme durch den hier nicht näher
dargestellten Wärmeleiter zu diesem Schaltglied fließen und
dieses durch die Steuerbeheizung 34 hindurch erreichen.
Da der Selbsthalte-Widerstand 34 einen wesentlich höheren
Widerstandswert als der Schalter 8c hat, ist er bei ge
schlossenen Kontakten des Schalters 8c im wesentlichen
stromlos und nach Öffnen des Kontaktes bzw. erst bei Er
reichen eines kritischen Stromwertes wird der Widerstand 34
mit der für die Selbsthaltung des Schalters 8c notwendigen
Leistung beaufschlagt. Erst dann, wenn die Leistungszufuhr
zur Heizeinheit 2 über die Geräteleitungen unterbrochen wird,
wird auch der Widerstand 34 stromlos und die Kontakte des
Schalters 8c schließen wieder.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind nur zwei zueinander
parallele, geradlinige und jeweils einteilig durchgehende
Einzelwiderstände 15d parallel zu zwei Außenkanten 12d
vorgesehen, wobei der Abstand zwischen den beiden Einzel
widerständen 15d bzw. vom Zentrum 23d wesentlich größer als
von der jeweils unmittelbar benachbarten Außenkante 12d ist.
Die beiden Einzelwiderstände 15d sind unter Zwischenschaltung
des nicht näher dargestellten, quer zu ihnen liegenden und an
Leiter 19d angeschlossenen Schutzschalters in Serie miteinan
der geschaltet, wobei die Anschlüsse 24c, 25d mit den vom
Schalter abgekehrten Enden der Einzelwiderstände 15d verbun
den sind. Eine solche Ausbildung eignet sich insbesondere für
Leistungen unter 100 bzw. 50 Watt, während die Ausbildung
nach den Fig. 6 bis 7 für Leistungen bis mindestens 1000
Watt und die Ausbildung nach den Fig. 1 und 2 für Leistun
gen bis mindestens 600 Watt geeignet ist.
Auch bei der Ausbildung gemäß Fig. 9 ist die Widerstandsan
ordnung 4e nur durch einen einzigen Serienwiderstand 15e
gebildet, der längere und zur jeweils benachbarten Außenkante
12e parallele Abschnitte 17e sowie um etwa die Hälfte kürzere
Abschnitte 16e aufweist, die schräg zu den Abschnitten 17e
bzw. etwa symmetrisch zur Winkelhalbierenden der zugehörigen
Eckzone der Basis 3e liegen. Dadurch ist eine an eine Kreis
form angenäherte Polygonalform des Widerstandes 15e gebil
det, wobei jede Polygonalkante durchgehend einteilig durch
einen einzigen Abschnitt 16e, 17e gebildet ist. Aneinander
schließende Abschnitte 16e, 17e sind über einen Leiter 18e
miteinander verbunden. Die Anzahl der Abschnitte 17e ist um
einen Abschnitt geringer als diejenige der Abschnitte 16e, so
daß der Ring nicht vollständig geschlossen, sondern im
Bereich der Anschlußglieder 24e, 25e offen ist. Innerhalb der
Ringform liegt das Anschlußglied 26e, das gemeinsam mit dem
Anschlußglied 24e die Anschlüsse für die Beheizung 34e des
nicht näher dargestellten Schalters bildet. Die Beheizung 34e
ist ebenfalls in der beschriebenen Weise als Schichtwider
stand ausgebildet und an der Basis 3e angebracht.
Claims (11)
1. Beheizung mit einer Heizeinheit (2), die eine Basis (3)
und mindestens einen mit dieser in wenigstens einer
beheizten Basiszone (20) im wesentlichen unmittelbar
thermisch gekoppelten Heizwiderstand (5, 6) sowie
mindestens einen Basisbereich (21) aufweist, welcher
wenigstens teilweise nur mittelbar durch Wärmeleitung
eines Wärmestromes (31) entlang der Basis (3) mit dem
jeweiligen Heizwiderstand (5, 6) thermisch gekoppelt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7) vorgesehen
sind, mit welchen der jeweilige Basisbereich (21) durch
einen zusätzlichen Wärmestrom (30) wenigstens annähernd
so schnell beheizt wird wie durch Wärmeleitung entlang
der Basis (3).
2. Beheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wärmeleitmittel (7) etwa zwischen den thermischen
Zentren der Basiszone (20) und des Basisbereiches (21)
einen geringeren Wärmeleitwiderstand als die Basis (3)
aufweisen, daß insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der
Wärmeleitmittel (7) mindestens drei- bis siebenfach
höher als die Wärmeleitfähigkeit der Basis (3) ist und
daß vorzugsweise die Wärmeleitmittel (7) im Bereich der
Basiszone (20) und/oder im Basisbereich (21) im wesent
lichen gleichmäßig vollflächig mit der Basis (3) ther
misch gekoppelt sind.
3. Beheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Basis (3) mit den Wärmeleitmitteln (7)
durch eine wärmeleitende Anschluß- bzw. Haftverbindung
(10), wie eine Klebung, Verschweißung, unmittelbare
Oberflächenverpressung oder dgl., verbunden ist, daß
insbesondere die Anschlußverbindung (10) eine Dicke von
unter 1 mm, 1/10 mm bzw. 1/100 mm hat und daß vorzugs
weise die Anschlußverbindung (10) über 100°C hitzebe
ständig ist und Eigenschaften aufweist, die denjenigen
eines Silikonelastomers entsprechen.
4. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitmittel (7) eine
Wärme-Abgabefläche (9) zur unmittelbaren Wärmeübertra
gung in das zu beheizende Medium aufweisen, daß insbe
sondere die Wärmeleitmittel (7) flächengrößer als die
dazu etwa parallele Flächenausdehnung der Basis (3)
und/oder der Anschlußverbindung (10) sind und daß
vorzugsweise die Wärmeleitmittel (7) Kühlmittel für den
durch die Heizeinheit (2) beheizten Bereich bilden sowie
in mindestens zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen
über eine äußere Umfangskante (12) der Basis (3) vorste
hen.
5. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitmittel (7)
plattenförmig mit einer mindestens etwa in der Größen
ordnung der Dicke der Basis (3) liegenden Plattendicke
sind, daß insbesondere die Wärmeleitmittel (7) eine
gegenüber der Basis (3) mindestens zweifach größere
und/oder gegenüber der Anschlußverbindung (10) mehrfach
kleinere thermische Längenausdehnung aufweisen und daß
vorzugsweise die Wärmeleitmittel (7) eine gegenüber
einer Zwischenschicht (11) zwischen der Basis (3) und
den Wärmeleitmitteln (7) vielfach größere Wärmeleitfä
higkeit aufweisen.
6. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (2), bezogen
auf die Flächenausdehnung der Basis (3), eine Leistungs
dichte von mindestens 10 bis 30 Watt/cm² und/oder
bezogen auf die Flächenausdehnung der Basiszone (20) von
mindestens 20 bis 200 Watt/cm² aufweist, daß insbeson
dere der Basisbereich (21) mindestens 3-fach und höch
stens 20-fach größer als die Basiszone (20) ist und daß
vorzugsweise die Nenn-Heizleistung der Heizeinheit (2)
mindestens 100 bis 1000 Watt beträgt.
7. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (3) eine Außen
weite von mindestens 9 bis 25 mm und höchstens 150 bis
200 mm aufweist, daß insbesondere die Basis (3) eine
Dicke von mindestens 0,4 und höchstens 8 mm aufweist und
daß vorzugsweise die Basis (3) und/oder die Basiszone
(20) im wesentlichen zentrisch symmetrisch, wie quadra
tisch, ausgebildet bzw. thermisch belastet ist.
8. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (5, 6)
wenigstens teilweise bis im wesentlichen vollständig
durch einen auf wenigstens eine Oberfläche (13, 14) der
Basis (3) kaschierten Schichtwiderstand von weniger als
1/10 mm Schichtdicke gebildet ist, daß insbesondere der
Heizwiderstand (5) durch in Serie aufeinanderfolgende
sowie über kurze widerstandsarme Leiterabschnitte (18)
verbundene Widerstands-Abschnitte (16, 17) gebildet ist
und daß vorzugsweise mindestens ein ringartig im wesent
lichen geschlossener Heizwiderstand (5) unter Bildung
zweier Parallelwiderstände (15) etwa gleicher Leistung
mit elektrischen Anschlüssen (24 bis 26) verbunden ist.
9. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter Heiz
widerstand (5) mit einem etwa seiner Breite entsprechen
den Abstand entlang einer Außenkante (12) der Basis (3)
und/oder ein langgestreckter Heizwiderstand (6c) mit
einem mindestens einem Fünftel der zugehörigen Außen
weite der Basis (3c) entsprechenden Abstand von der zu
ihm etwa parallelen und am nächsten liegenden Außenkante
(12c) der Basis (3c) vorgesehen ist, daß insbesondere
mindestens zwei Heizwiderstände (5c, 6c) wenigstens
teilweise etwa parallel zueinander und/oder ringartig
ineinanderliegend vorgesehen sind und daß vorzugsweise
der innere Heizwiderstand (6c), bezogen auf die Basis
(3c), flächenspezifisch eine geringere Leistung als der
äußere Heizwiderstand (5c) hat.
10. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Basisbereich (21) zur
Aufnahme von Anschluß- und/oder Steuermitteln (24, 25
bzw. 8) vorgesehen ist, daß insbesondere wenigstens ein
Teil der Widerstandsanordnung (4) der Heizeinheit (2)
mit einer Schutzeinrichtung (8), wie einem über die
Wärmeleitmittel (7) thermisch gesteuerten Temperatur
wächter, gesichert ist und daß vorzugsweise die Heizein
heit (2) so justiert ist, daß sie bei von den Wärmeleit
mitteln (7) abgekoppeltem Betrieb durch die Heizleistung
unter Unterbrechung des Stromkreises zerstört wird.
11. Beheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (3) durch eine
Platte oder dgl. gebildet ist und wenigstens teilweise
aus einem elektrischen Isolierwerkstoff, wie Keramik
bzw. AL₂O₃ besteht, daß insbesondere ein Heizwiderstand
(5, 6) an der von den Wärmeleitmitteln (7) abgekehrten
und/oder der den Wärmeleitmitteln (7a) zugekehrten
Plattenseite (13 bzw. 14a) vorgesehen ist und daß
vorzugsweise die Basis (3b) mit den Wärmeleitmitteln
(7b) über eine Körnungs-Schicht (33) aus gegenüber der
Basis (3b) wesentlich besser wärmeleitfähigem Werkstoff,
wie Kupfer, thermisch gekoppelt ist.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341035 DE4341035A1 (de) | 1993-12-02 | 1993-12-02 | Beheizung mit einer Heizeinheit |
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