-
Diese
Erfindung betrifft elektrische Heizelemente, z. B. zur Verwendung
in Flüssigkeitsheizgefäßen wie
etwa Wasserkocher, Reiskocher, Kaffeemaschinen usw. Das Heizelement
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Heizelement aus Metall für ein Flüssigkeitsheizgefäß, das ein
Metallsubstrat, eine auf dem Substrat aufgebrachte Isolierschicht und
eine auf der Isolierschicht befindliche elektrisch leitende Heizbahn
umfasst, die einen Pfad umfasst und sich zwischen zwei Kontaktflächen erstreckt,
wobei die Heizbahn Bereiche mit einer relativ hohen Dichte an Bahnabschnitten
und Bereiche mit einer relativ niedrigen Dichte an Bahnabschnitten
definiert, sich die Kontaktflächen
in Abschnitten mit relativ niedriger Dichte befinden und das Layout
der Heizbahn so gestaltet ist, dass die Heizbahn im Falle einer
thermischen Überhitzung
an einer vorgegebenen Gruppe von Stellen bricht. Die Erfindung betrifft
insbesondere Heizelemente, die eine elektrisch beheizte, leitfähige Bahn
umfassen, die auf einem im Wesentlichen ebenen Metallsubstrat aufgebracht
ist.
-
Diese
Art von Heizelement wird zunehmend in elektrischen Wasserkochern
verwendet, bei denen sie den Vorteil einer leichteren Reinigung
des Kesselinneren bietet und ermöglicht,
dass eine kleine Menge an Wasser gekocht werden kann, da eine geringere
Menge an Wasser als bei herkömmlichen
Tauchelementen erforderlich ist, um das Heizelement zu bedecken.
Sicherheitsanforderungen schreiben vor, dass elektrische Wasserkocher
zwei Schutzeinrichtungen benötigen,
um zu gewährleisten,
dass die Stromversorgung zum Heizelement bei einer Überhitzung
des elektrischen Wasserkochers (wenn z. B. der dampfempfindliche
Abschalter für
das Kochen ausfällt
oder der Wasserkocher eingeschaltet wird, ohne dass sich Wasser
darin befindet) unterbrochen wird. Üblicherweise sind die zwei Überhitzungsschutzeinrichtungen
in einer Steuereinheit des elektrischen Wasserkochers integriert
und eine oder beide dieser Überhitzungsschutzeinrichtungen
können
einen Bimetallschalter umfassen, der abschaltet, wenn ein Bimetallstreifen
eine vorgegebene Temperatur erreicht. Außerdem oder alternativ dazu
können
Abschnitte des Gehäuses
der Steuereinheit aus einem Kunststoff gebildet sein, der bei einer
vorgegebenen Temperatur schmilzt, sodass bei einem Ausfall aller anderen Überhitzungsschutzeinrichtungen
der Gehäusekörper der
Steuereinheit schmilzt, was zu einer Bewegung von Komponenten führt, die
die Abschaltung der Stromversorgung zum Heizelement bewirkt. Wenn
dieser Schmelzschutz eingesetzt wird, ist möglicherweise nur eine thermische
Schutzeinrichtung in Form eines Bimetallschalters erforderlich.
-
Ein
wie eingangs im ersten Absatz beschriebenes Heizelement ist aus
dem Dokument
WO 94/18807 bekannt,
welches ein Heizelement offenbart, bei dem die vorgegebene Gruppe
von Stellen durch Bahnabschnitte mit reduzierter Breite, die an die
Kontaktflächen
angrenzen, definiert ist.
-
EP 0 715 483 offenbart ein
elektrisches Heizelement, das eine auf einem Substrat befindliche Heizbahn
umfasst, die sich zwischen zwei Kontaktanschlüssen erstreckt. Die Heizbahn
umfasst einen ersten Abschnitt, der sich um den Umfang des Heizelements
erstreckt und einen unbeheizten Abschnitt der Heizbahn bildet. Dieser
erste Abschnitt ist in Reihe mit einem zweiten, inneren Heizabschnitt
der Bahn verbunden. Der unbeheizte Abschnitt der Bahn fungiert als
thermische Sicherung, die bei einer Überhitzung des Heizelements
die Verbindung zwischen den zwei Kontaktflächen unterbricht.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft ein Heizelement für ein Flüssigkeitsheizgefäß gemäß dem ersten
Absatz, bei dem sich die vorgegebene Gruppe von Stellen in Heizbahnbereichen
mit hoher Dichte befindet.
-
Bei
dem Heizelement der Erfindung weist das Heizbahnlayout Bereiche
mit hoher Dichte und Bereiche mit niedriger Dichte an Heizbahnabschnitten
auf und dies führt
zu lokalen heißen
Stellen, die durch die Heizbahn verursacht werden. Eine entsprechende
Gestaltung dieser heißen
Stellen ermöglicht ein
Auswählen
der Position des Heizbahnbruchs bei Überhitzung, sodass die Heizbahn
als zuverlässige Sicherung
fungieren kann. Die Position, an der der Bruch stattfindet, ist
von Bedeutung, da dies ermöglicht,
das Risiko des Funkenüberschlags
sowie das Risiko hoher Stromstöße während des
Heizbahnbruchs zu minimieren.
-
Vorzugsweise
sind die vorgegebenen Stellen von den Kontaktflächen entfernt, sodass bei einem Heizbahnbruch
an der ausgewählten
Stelle der Funkenüberschlag
nicht von der Bruchstelle zu den Kontaktflächen stattfindet, was potenziell
zu einer Brandgefahr führen
könnte.
-
Um
die Höhe
des Stromstoßes
zu begrenzen, der während
des Heizbahnbruchs auftritt, ist es wünschenswert, dass der Bruch
zur Mitte der Heizbahn hin auftritt, sodass ein widerstandsbehafteter Abschnitt
der Heizbahn zwischen der Bruchstelle und jeder der Kontaktflächen vorhanden
ist. Auf diese Weise ist ungeachtet der Polarität der an den Kontaktflächen anliegenden
Spannung ein gewisser Widerstand auf dem Pfad von der unter hoher
Spannung stehenden (spannungsführenden)
Kontaktfläche
zur Bruchstelle vorhanden, und dies begrenzt den Stromstoß, der während des
Heizbahnbruchs auftritt.
-
Vorzugsweise
sind die Kontaktflächen
in einem inneren Abschnitt des Heizelements positioniert und die
von den zwei Kontaktflächen
direkt ausgehenden Abschnitte der Heizbahn erstrecken sich jeweils
radial nach außen
durch einen Bereich mit niedriger Dichte zu einem äußeren Abschnitt
des Heizelements und folgen dann einem Pfad, der sich in Richtung
zur Mitte des Elements fortsetzt.
-
Es
wurde festgestellt, dass die Bruchstelle der Heizbahn an einem Punkt
der Heizbahn auftritt, bei dem eine lokale heiße Stelle sowie eine hohe Spannung
vorhanden sind. Infolgedessen wird ein Brechen der Heizbahn in Abschnitten
der Heizbahn verhindert, die sich an die Kontaktflächen anschließen, wenn
sich der Heizbahnabschnitt von den Kontaktflächen durch einen Bereich des
Elements mit niedriger Dichte zu einem Umfang des Heizelements erstreckt.
Auf diese Weise kann der nach dem Brechen auftretende maximale Stromstoß reduziert
werden. Des Weiteren setzen sich mehrere Brüche, die auftreten können, nach
außen
in Richtung eines kühleren
Abschnitts des Heizelements fort und klingen somit aus, wenn die
Heizbahn einem Pfad folgt, der sich in Richtung zur Mitte des Elements
fortsetzt.
-
Ein
Bereich mit relativ hoher Dichte von Heizbahnabschnitten umfasst
so vorzugsweise einen Bereich, in dem mehr als zwei Heizelementabschnitte nahe
beieinander und im Wesentlichen parallel zueinander liegen.
-
Die
Erfindung schafft außerdem
einen elektrischen Wasserkocher mit einem Heizelement der Erfindung.
Der elektrische Wasserkocher kann eine einzige Überhitzungssteuereinrichtung
umfassen, sodass die Heizbahn selbst und die Überhitzungssteuereinrichtung
zusammen zwei Stufen des Überhitzungsschutzes
bilden.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
-
1 die
Heizbahnkonfiguration eines Heizelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
-
2 einen
elektrischen Wasserkocher, in den ein Heizelement der Erfindung
integriert ist.
-
1 zeigt
in Draufsicht ein Heizelement gemäß der Erfindung. Obwohl die
Konstruktion nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das Heizelement
ein Substrat, auf dem eine isolierende dielektrische Schicht aufgebracht
ist, wobei sich auf der Isolierschicht eine elektrische Widerstandsheizbahn 4 befindet.
-
Das
Substrat umfasst eine Platte aus wärmeleitfähigem Material, wie z. B. Stahl
oder Edelstahl. Edelstahl ist bevorzugt, da die Korrosionsbeständigkeit
bei Wasserheizanwendungen nützlich
ist. Das Substrat ist im Allgemeinen als ebenes Blech ausgebildet
und kann eine beliebige geeignete Form haben. Die auf dem Substrat
gebildete Isolierschicht kann z. B. ein Glaskeramik- oder ein Porzellanemaille-Material
umfassen. Je nach ausgewählter
Beschichtung kann diese durch Drucken, Sprühen oder Eintauchen aufgetragen
werden. Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene dielektrische
Zusammensetzungen ausgewählt
werden können
und dass verschiedene entsprechende Verfahren zur Verfügung stehen,
um die Isolierschicht zu bilden.
-
Die
Heizbahn 4 ist mittels eines Dickschichtverfahrens auf
der Isolierschicht ausgebildet und umfasst einen Widerstandspfad,
der zwischen den zwei Anschlüssen 6 angeschlossen
ist.
-
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Heizbahn als Überhitzungsschutzeinrichtung
fungieren kann, wenn das Layout der Heizbahn so gestaltet werden
kann, dass eine zuverlässige
Sicherung geschaffen wird. Dadurch kann das Heizbahnlayout eine
der thermischen Überhitzungsschutzeinrichtungen
ersetzen, die andernfalls aus Sicherheitsgründen erforderlich wäre.
-
Verschiedene
Faktoren beeinflussen die Art, in der die Heizbahn während starker Überhitzung bricht,
und diese Faktoren müssen
bei der Gestaltung des Heizbahnlayouts berücksichtigt werden.
-
Die
Erfinder haben festgestellt, dass bei einer bestimmten Heizbahnkonfiguration
das Schmelzen der Heizbahn (das erfolgt, wenn alle anderen Überhitzungsschutzeinrichtungen
deaktiviert sind) stets an einer oder mehreren erkennbaren Stellen stattfindet.
Es wurde festgestellt, dass das Brechen der Heizbahnen in Bereichen
des Heizelements auftritt, in denen lokale heiße Stellen auftreten, und dass innerhalb
der heißen
Stellen diejenige Heizbahn bricht, an der die höchste Spannung anliegt. Eine
der Kontaktflächen 6 der
Heizbahn 4 ist mit einem spannungsführenden Anschluss verbunden
und die andere Kontaktfläche
ist mit einem Nullleiteranschluss verbunden. Dadurch bricht innerhalb
einer heißen Stelle
des Heizelements die Heizbahn, die sich dem spannungsführenden
Anschluss am nächsten
befindet, als erste. Während
des Brechens einer Heizbahn entsteht eine Blase durch die Heizbahn
und Strom kann zeitweilig von der Heizbahn hindurch bis zum darunterliegenden
Metallsubstrat gelangen. Somit treten die Blasen, die das Brechen
der Heizbahn verursachen, während
eines Stromstoßes
auf.
-
Wenn
die Absicherung der Heizbahn als Überhitzungsschutzeinrichtung
fungieren soll, darf die Aktivierung der Überhitzungsschutzeinrichtung nicht
dazu führen,
dass irgendeine externe Sicherung einschließlich des Sicherungseinsatzes
und aller Stromnetzsicherungen des häuslichen Stromkreises anspricht.
Es ist daher notwendig, den Stromstoß zu steuern, der während des
Heizbahnbruchs auftritt, um den Spitzenwert des Stoßstroms
sowie die Zeitdauer zu begrenzen, während der der Stromstoß stattfindet.
-
Wenn
die heiße
Stelle nahe den Erdungspunkten des Heizelements oder nahe den Kontaktflächen 6 auftritt,
kann die Heizbahn durch Funkenüberschlag
zwischen den Erdungspunkten oder den Kontaktflächen und der nächstgelegenen
Heizbahn in der heißen
Stelle brechen. Dies bringt einen weniger vorhersagbaren Absicherungsvorgang
mit sich, der zu höheren
Stoßströmen führen kann.
-
Die
in 1 gezeigte Heizbahnkonfiguration wurde unter Berücksichtigung
der oben erwähnten Gesichtspunkte
gestaltet, wie in der folgenden Beschreibung erläutert wird.
-
Wie
oben beschrieben umfasst die Heizbahn 4 einen Pfad, der
sich zwischen zwei Kontaktflächen 6 erstreckt.
Die Anordnung der Heizbahn führt
dazu, dass unterschiedliche Flächen
des Substrats eine unterschiedliche Dichte von Heizbahnpfaden haben. Beispielweise
können
die Bereiche 8 in 1 als Bereiche
mit relativ hoher Dichte von Heizbahnabschnitten angesehen werden,
und der Rest des Heizelements kann als Bereich mit relativ niedriger
Dichte von Heizbahnabschnitten angesehen werden. Insofern kann ein
Bereich, bei dem mehr als zwei Heizbahnabschnitte im Wesentlichen
parallel zueinander und nahe beieinander verlaufen, als Bereich
mit hoher Dichte definiert werden. Für die Zwecke der Erfindung
ist jedoch lediglich erforderlich, dass die ausgewählten Bereiche
des Elements dichter mit Heizbahnabschnitten belegt sind als andere
Bereiche, sodass heiße
Stellen über
vorgegebene Abschnitte des Heizelementsubstrats verteilt auftreten.
-
Die
in 1 gezeigte Heizbahn umfasst die zwei Kontaktflächen 6 und
die Stromnetzverbindungen zur Heizbahn sind über diese Kontaktflächen mittels
einer entsprechenden Steuereinheit realisiert. Außerdem sind
Verbindungen der Steuereinheit zum Heizelement als Erdungspunkte 10 gezeigt.
Die Kontaktflächen 6 und
die Erdungspunkte 10 befinden sich jeweils in dem Heizelementbereich
mit niedriger Dichte. Diese Anschlüsse sind daher in einem Abstand
von den heißen
Stellen des Heizelements angeordnet.
-
Wie
oben erläutert,
ist es wünschenswert, dass
der Heizbahnbruch in einem gewissen Abstand von der Kontaktfläche 6 stattfindet,
sodass ein gewisser Widerstand zwischen der Bruchstelle und dem spannungsführenden
Anschluss (bei dem es sich um die eine oder die andere der Kontaktflächen 6 handeln
kann) vorhanden ist. In bestimmten Ländern ist es aufgrund der Netzsteckdose,
in die der Stecker auf zweierlei Weise eingesteckt werden kann,
nicht möglich
zu definieren, welche Kontaktfläche 6 mit dem
spannungsführenden
Leiter und welche mit dem Nullleiter verbunden ist. Infolgedessen
ist es erforderlich, dass die Bruchstelle an der Heizbahn in einem
gewissen Abstand zu beiden Kontaktanschlüssen 6 auftritt, und
dies führt
zu dem bevorzugten Merkmal, dass die Heizbahnkonfiguration symmetrisch
zur Linie gleichen Abstands von den zwei Kontaktflächen (die
senkrechte Linie 12 in 1) ist.
-
Um
zu gewährleisten,
dass der Heizbahnbruch auf der Heizbahn nicht in nur geringem Abstand
von der Kontaktfläche 6 auftritt,
erstrecken sich die unmittelbar von den Kontaktflächen 6 abgehenden
Heizbahnabschnitte 14 durch einen Bereich mit geringer
Dichte bis zum Umfang des Heizelements, der bei Verwendung des Elements
ein relativ kühler Bereich
ist. Die Heizbahnabschnitte folgen dann einem einwärts gerichteten
Pfad, wie durch die Pfeile 16 in den Bereichen mit hoher
Dichte 8 angezeigt.
-
Die
in 1 gezeigte Heizbahnkonfiguration bricht während eines Überhitzungstests
ungefähr
an einer der Stellen 18 (je nach der Polarität der Kontaktflächen 6).
Somit gewährleistet
die Heizbahnkonfiguration, dass zwischen dem spannungsführenden Anschluss
und der Bruchstelle etwas Heizbahn vorhanden ist, sodass der durch
die Blase (die Bruchstelle) fließende maximale Strom gesteuert
wird.
-
Es
wurde außerdem
festgestellt, dass nach einem anfänglichen Bruch der Heizbahn
ein zweiter Bruch und weitere Brüche
auftreten können,
die sich auf der Heizbahn in Richtung des spannungsführenden
Anschlusses fortsetzen. Dies tritt auf, da, obwohl nach einem anfänglichen
Bruch auf der Heizbahn 4 kein Strom zwischen den Kontaktflächen 6 fließen kann,
die heiße
Stelle des Heizelements nach wie vor vorhanden ist und sich die
Temperatur des Heizelements als Folge der in der Heizbahn gespeicherten Wärme noch
erhöhen
kann. Eine weitere Blase kann daher an einer Stelle der Heizbahn
auftreten, an der eine höhere
Spannung vorhanden ist. Dies kann zu einer Aufeinanderfolge von
Blasen führen,
die als 18a, 18b, 18c und 18d angezeigt
sind und in dieser Reihenfolge auftreten. In jedem Fall setzt sich
die Blase in Richtung des spannungsführenden Kontaktanschlusses
fort und kann, wie gezeigt, Heizbahnabschnitte überspringen. Als Folge des
nach innen gerichteten Verlaufs der Heizbahn, der durch die Pfeile 16 dargestellt
ist, setzen sich diese Blasen nach außen in Richtung des äußeren Umfangs
des Heizelements fort. Da der äußere Umfang
des Heizelements ein Bereich des Elements ist, der eine niedrigere Temperatur
aufweist, erreichen die Brüche
an einer bestimmten Stelle den Rand der heißen Stelle und die Kombination
aus Spannung und Temperatur reicht nicht mehr länger aus, um einen Heizbahnbruch
zu erzeugen. Infolgedessen klingt die Blasenbildung mit der Zeit
ab.
-
Dies
hat sich als wichtiger Gesichtspunkt herausgestellt, da, wenn ermöglicht wird,
dass nacheinander eine große
Anzahl von Blasen auftritt, dies zu einem hohen Stromstoß führen kann,
der ausreicht, um einen Sicherungseinsatz auszulösen. Die Heizbahnkonfiguration
der Erfindung gewährleistet,
dass jegliche Aufeinanderfolge von Blasen mit der Zeit abklingt,
und begrenzt dadurch den während
der thermischen Überhitzung
auftretenden Stromstoß.
-
Die
durch eine bestimmte Heizbahnkonfiguration verursachte Heizwärmeverteilung
kann mit Hilfe von Wärmebildgebungsverfahren
untersucht werden, wenn eine Spannung an die Heizbahn angelegt wird,
während
andere Überhitzungsschutzeinrichtungen
deaktiviert sind. Dadurch lässt
sich die Bruchstelle bei einer Heizbahnkonfiguration exakt vorhersagen.
-
Das
Heizelement der Erfindung kann für
verschiedene Heizgefäße verwendet
werden, als bevorzugtes Beispiel zeigt jedoch 2 einen
elektrischen Wasserkocher, in den ein Heizelement der Erfindung integriert
ist.
-
In
herkömmlicher
Weise ist das Heizelement mit nach unten weisender Heizbahn 4 im
Fuß des Wasserkochers 20 aufgehängt. Während des
Betriebs des Wasserkochers wird Wärme von der Heizbahn 4 durch
die Isolierschicht und das Substrat in den Körper 22 des Wasserkochers 20 übertragen. Der
Wasserkocher 20 umfasst eine Steuereinheit 24, die
mit dem Erdungspunkt 10 verbunden ist und einen elektrischen
Kontakt zu den Kontaktflächen 6 herstellt.
Die Steuereinheit 24 kann einen schnurlosen oder einen
herkömmlichen
Anschluss sowie eine oder mehrere thermische Überhitzungsschutzeinrichtungen
umfassen. Selbst wenn die Steuereinheit 24 nur eine thermische Überhitzungsschutzeinrichtung
umfasst, wird mit Hilfe des thermischen Absicherungsvorgangs der
Heizbahn selbst ein doppelter Schutz erreicht.