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Elektrisch zu beheizendes massearmes Heizelement Die Erfindung betrifft
ein elektrisch zu beheizendes, massearmes Heizelement.
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Falls derartige Heizelemente unmittelbar in das zu erhitzende Strömungsmittel
eintauchen, müssen sie vor allem flüssigkeits- und gasdicht sein und nicht den Einflüssen
der Korrosion unterliegen. Wenn die Nutzwärme des Heizelementes von einer dazu vorgesehenen
Fläche (Nutzheizfläche) auf einen festen Körper im wesentlichen durch Wärmeleitung
übertragen wird, indem sich der feste Körper möglichst eng der Nutzheizfläche anschmiegt,
ist es unbedingt notwendig, daß sie völlig eben ist und sich auch bei längerer Benutzungsdauer
nicht verwirft. Nur auf diese Weise wird eine einwandfreie Übertragung der Wärme
von der Nutzheizfläche an den zu beheizenden Körper sichergestellt, wodurch sich
ein guter Wirkungsgrad und eine ausreichend lange Lebensdauer des Heizelementes
ergeben. Ein besonders bekanntes Beispiel für ein unmittelbar in das zu erhitzende
Strömungsmittel eintauchendes Heizelement ist der Tauchsieder. Unter denjenigen
Heizelementen, deren Wärme von der Nutzheizfläche auf einen sich ihr möglichst eng
anschmiegenden Körper übertragen wird, nimmt die Wärmeleitkochplatte einen hervorragenden
Platz ein.
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Die meisten der jetzt gebrauchten Kochplatten dieser Art bestehen
zu einem wesentlichen Teil aus Gußeisen. Durch besondere Zusammensetzung des Gusses
und durch konstruktive Maßnahmen ist man bestrebt, der Forderung gerecht zu werden,
daß die Aufsatzfläche der Kochplatte (Nutzheizfläche) eben ist und auch ständig
eben bleibt. Man ist weiter bestrebt, die Masse der Kochplatte so gering wie möglich
zu halten, da diese zusätzlich erwärmt werden muß und von ihrer Größe die Aufheizzeit
und der Kochwirkungsgrad der
Platte abhängen. Wenn die Kochplatte
im wesentlichen aus Gußeisen besteht; bleibt ihre Masse bei auch noch so leichter
Konstruktion verhältnismäßig groß, da Gußeisen nur bis zu gewissen Mindestwandstärken
gegossen werden kann.
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Um die Nachteile von im wesentlichen aus Gußeisen hergestellten Kochplatten
zu vermeiden, hat man auch schon versucht, den Kochplattenkörper, also denjenigen
Körper, in dem die Heizleiter untergebracht sind, aus Stahlblech herzustellen. Hierbei
sind die Heizleiter in Isolierstoff eingebettet, der in Vertiefungen eines beispielsweise
plattenförmigen Körpers eingelagert ist, der im nachfolgenden als Heizleiterkörper
bezeichnet wird. Der Heizleiter wird hier in eine Isoliermasse eingebettet, die
sich in beispielsweise spiralförmig ausgeprägten Vertiefungen des Heizleiterkörpers
befindet. Das Ganze wird durch eine beispielsweise ebenfalls aus Stahlblech bestehende
Deckplatte abgeschlossen, die mit dem Heizleiterkörper elektrisch verschweißt wird,
z. B. nach dem Punkt- oder Rollenschweißverfahren. Der Hauptnachteil einer
derartigen Platte besteht darin; daß es hier nicht möglich ist, die Forderung nach
einer stets ebenen und eben bleibenden Aufsetzfläche (Nutzheizfläche) zu erfüllen.
Die elektrische Verschweißung der Deckplatte macht die Erfüllung dieser Forderung
unmöglich. Wenn sich außerdem an den Berührungsflächen zwischen den beiden Platten
Teilchen der Isoliermasse einschieben, was sich praktisch nicht vermeiden lassen
wird, hält die Verbindungsstelle nicht. Außerdem ist die Verbindung zwischen einerseits
dem Heizleiterkörper einschließlich der Isoliermasse und andererseits der Deckplatte
nur unvollkommen, so da.ß die Wärme nur schlecht weitergeleitet wird.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß bei
einem elektrisch zu beheizenden Heizelement der beschriebenen Art, dessen Heizleiter
in Isolierstoff eingebettet sind, der in Vertiefungen eines nach der Wärmenutzfläche
zu durch eine Metallschicht abgedeckten Körpers (Heizleiterkörpers) eingelegt ist,
die Metallschicht an der Auftragungsfläche aus dem flüssigen Zustande herausgebildet
ist. Gemäß der Erfindung schließt vorzugsweise die im flüssigen Zustande aufgebrachte
Metallschicht den Isolierstoff gegenüber dem Äußeren ab. Erfindungsgemäß empfiehlt
es sich weiter, die Grate der Vertiefungen des Heizleiterkörpers auf seiner einen
Seite bis zu der Aüftragungsfläche der Metallschicht reichen zu lassen, die dort
bei ihrer Bildung eine innige Verbindung mit diesen Graten eingeht.
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Auf diese Weise ist es möglich, trotz völlig ausreichender mechanischer
Widerstandsfähigkeit nur eine sehr dünne Metallschicht aufzutragen; so da.ß die
Masse der Wärmeleitkochplatte und damit die zu ihrer Anheizung notwendige Zeit sehr
gering werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die in flüssigem
Zustande aufgebrachte Metallschicht sich auch mit der Isolierschicht, in die die
Heizleiter eingebettet sind, auf das innigste verbindet. Sie dringt in kleine und
kleinste Fugen und Öffnungen der Oberfläche der Isolierschicht ein, vergrößert auf
diese Weise die Wärmeübertragungsfläche und verbessert damit den Wärmedurchgang
von den Heizleitern zu der Fläche (Nutzheizfläche), auf die das Kochgerät gesetzt
wird: Die Temperaturdifferenz zwischen der in flüssigem Zustande aufgebrachten Metallschicht
und dem Heizleiter oder den Heizleitern wird deshalb verhältnismäßig.gering, so
daß auch die Neigung zu Wärmespannungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist. Die
Anheizzeit verringert sich, und der Kochwirkungsgrad der Platte wird besser.
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Der Wärmefluß vom Heizleiter zur wärmeabgebenden Fläche wird wesentlich
verbessert, so daß bei gleicher Temperatur der wärmeabgebenden Fläche (Nutzheizfläche)
ein niedrigere Temperatur des Heizleiters oder der Heizleiter notwendig wird. Man
kann auf diese Weise für den Heizleiter eine geringere Heizflächenbelastung wählen,
wodurch sich seine Lebensdauer erhöht.
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Dadurch, daß die in flüssigem Zustande aufgebrachte Metallschicht
den die Isoliermasse und den Heizleiter aufnehmenden Raum völlig dicht abschließt
und sowohl die einzelnen Teilchen der Isoliermasse als auch den Heizleiter sicher
in der ihnen beim Einbau gegebenen Lage festhält, kann man die Isoliermassenschicht
zwischen Heizleiter und Metalldecke äußerst gering halten. Dies wird dadurch erleichtert,
daß der Heizleiter bis zum Aufbringen der letzten ihn bedeckenden Isolierschicht
offen liegt und zugänglich bleibt.
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Unter Umständen kann die Neigung des Heizelementes zu Spannungen und
Verwerfungen noch weiter durch besondere Ausbildung der Vertiefungen, in denen die
Heizleiter angeordnet sind, und der sie begrenzenden Wände oder Rippen vermindert
werden. Es ist beispielsweise möglich, diese Vertiefungen und ihre Begrenzungswände
so auszubilden, daß sie unter dem Einfluß der Erwärmung die Spannungen federnd öder
ausgleichend aufnehmen, so daß die wärmeabgebende Nutzheizfläche (Kochfläche) selbst
eben bleibt.
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Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, daß man
in der Wahl des in flüssigem Zustande aufgebrachten Metalls völlig frei ist und
dieses Metall ganz nach der gewünschten Wärmeleitzahl, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der Korrosionsbeständigkeit, der Hitzebeständigkeit oder einer anderen Eigenschaft
auswählen kann. Unter Umständen wird es auch -zweckmäßig sein, mehrere Metalle übereinander
aufzubringen, wobei es sich im allgemeinen empfehlen wird, für die oberste Schicht
ein Metall von hoher Korrosionsbeständigkeit zu wählen.
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Unter Metall im Sinne der Erfindung sind nicht nur alle diejenigen
Metalle zu verstehen, die im technischen Sprachgebrauch als Metalle bezeichnet werden,
sondern auch Eisen, Stahl und seine Legierungen.
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Die völlig dichte Abschließung des Isolierstoffes mit den darin eingebetteten
Heizleitern ist beim Erfindungsgegenstand außerordentlich einfach zu erreichen.
Die Einwirkung von Wasser, ätzenden Flüssigkeiten und von Speiseresten oder die
Einwirkung der Atmosphäre oder anderer Gase auf das Innere des Heizelementes werden
auf diese Weise völlig sicher vermieden, wodurch sich seine Lebensdauer und Haltbarkeit
wesentlich erhöhen.
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Diese völlige Dichtheit des Inneren eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Heizelementes erhöht die Möglichkeiten seiner Verwendung beträchtlich, insbesondere
kann auf diese Weise der Erfindungsgegenstand als Heizstab ausgebildet werden, der
unmittelbar im
Inneren eines Back- und Bratofens an seinen Seiten
befestigt wird. Der Wirkungsgrad des elektrischen Backens und Bratens wird auf diese
Weise beträchtlich gegenüber den bisherigen Konstruktionen erhöht, bei denen derartige
Stäbe im allgemeinen auf der Außenseite des Back- und Bratraumes angebracht sein
müssen, da sie infolge ihrer Undichtheit den Einwirkungen der Brat- und Backdämpfe
nicht ausgesetzt werden dürfen.
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Ein derartig erfindungsgemäß ausgebildeter Heizstab kann auch mit
großem Vorteil als Tauchsieder für Flüssigkeiten aller Art Verwendung finden. Die
erfindungsgemäß in flüssigem Zustande aufgebrachte äußere Metallschicht kann weitgehend
den besonderen Eigenschaften der Flüssigkeit angepaßt werden, für die der Tauchsieder
Verwendung finden soll. Unter Flüssigkeiten sind in diesem Zusammenhang auch Gase,
also Strömungsmittel aller Art zu verstehen.
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Der Erfindungsgegenstand kann weiterhin zur Heizung von Kunstharzpreßformen,
Vulkanisierpressen und von Trockenpressen für photographische Abzüge und ähnliche
Einrichtungen benutzt werden. Zur Verhinderung des Einfrierens von elektrischen
und mechanischen Schaltgeräten, z. B. Signalanlagen und Weichen von Eisenbahnen,
ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Heizungselement ebenfalls mit Vorteil zu benutzen.
Diese Anwendungsgebiete stellen nur Beispiele dar, die den Umfang der Erfindung
andeuten sollen, ohne ihre Grenzen abzustecken.
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Gemäß der Erfindung kann es zweckmäßig sein, sowohl auf der Unterseite
als auch auf der Oberseite des Heizleiterkörpers Heizleiter anzuordnen, wobei die
Unterseite und die Oberseite mit je einer Metallschicht zum Abdecken der Isoliermasse
und ihrer Heizleiter bzw. ihres Heizleiters vorgesehen sind. Eine derartige Konstruktion
kann unter Umständen besonders günstig die Forderung erfüllen, daß die als Nutzheizfläche
dienende Metallschicht, auf die also z. B. ein Kochgerät aufgesetzt wird, unter
allen Betriebsbedingungen stets einwandfrei eben sein muß, ohne zu wesentlichen
Wärmespannungen und Verwerfungen zu neigen.
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Eine weitere Verbesserung des Heizelementes kann sich daraus ergeben,
daß die in flüssigem Zustande aufgebrachte Metallschicht den gesamten Heizleiterkörper
umschließt. Vorzugsweise ist die Metallschicht an den nicht der Wärmeausnutzung
dienenden Flächen; also z. B. an den nicht für das Aufsetzen des Kochgeräts bestimmten
Flächen, dünner gehalten, da hier die mechanischen Beanspruchungen im allgemeinen
weniger groß sind. Es kann aber auch vorteilhaft sein, beispielsweise zu dem Zwecke,
die Neigung zu Wärmespannungen und -verwerfungen zu vermindern, gerade umgekehrt
die Metallschicht, die nicht der Wärmeausnutzung dient, dicker auszuführen.
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Um die Übertragung der Wärme der Heizleiter auf die Metallschicht
zu verbessern, empfiehlt es sich, sowohl die Heizleiterplatte als auch diejenige
Fläche der Isolierschicht, die nach der in flüssigem Zustande aufgebrachten Metallschicht
gerichtet ist, mit besonderen Spitzen oder Einbuchtungen oder Erhöhungen oder Aufrauhungen
zu versehen. Alle diese Maßnahmen können auch gemeinsam angewendet werden.
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Zum Aufbringen der Metallschicht in flüssigem Zustande stehen verschiedene
Verfahren zur Verfügung, die einem Fachmann durchschnittlichen Könnens geläufig
und bekannt sind.
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Auf besonders einfache Weise läßt sich der Erfindungsgegenstand mit
Hilfe des Metallspritzverfahrens ausführen. Man kann aber auch statt dessen das
Metall im Spritzguß aufbringen. Schließlich ist es möglich, durch Niederschlag von
verdampfendem Metall diese Metallschicht zu bilden.
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Bei dem Erfindungsgegenstand ist es von besonderer Wichtigkeit, auch
die Heizleiter völlig dicht in das Innere des Heizelementes einzuführen bzw. aus
ihm herauszubringen, damit nicht die Ein- oder Austrittstelle Veranlassung zum Eindringen
von Luft oder Feuchtigkeit oder Gasen in das Innere des Heizelementes sein kann.
Erfindungsgemäß sind die Anschlußenden der Heizleiter bzw. des Heizleiters mit einem
vorzugsweise keramischen Formstück versehen, das mit Hilfe von in flüssigem Zustande
aufgebrachtem Metall abgedichtet wird.
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Auf bekannte Weise kann die Fläche der Metallschicht, die als Nutzheizfläche
dient, also beispielsweise nach dem Kochgerät zu weist, nachträglich bearbeitet
werden, um eine möglichst glatte Oberfläche zu erhalten. Dies kann z. B. durch Drehen,
'vorzugsweise mit kleinem Vorschub und hoher Schnittgeschwindigkeit, oder durch
Schleifen bewirkt werden.
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Die Abbildung zeigt einige Ausf}ihrungsbeispiele der Erfindung an
Hand einer Wärmeleitkochplatte, und zwar stellt dar Fig. i einen Schnitt durch ein
erfindungsgemäß ausgebildetes, als Wärmeleitkochplatte dienendes Heizelement, Fig.
2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 einen Teilschnitt
durch die Ausführungsform nach Fig. i in vergrößertem Maßstabe, Fig. 4 einen Teilschnitt
durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung in ebenfalls vergrößertem Maßstabe,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Ausführungseinzelheit der Erfindung in vergrößertem
Maßstabe, wobei die Ausführungsform nach Fig. i gewählt ist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i besteht das als Wärmeleitkochplatte
dienende Heizelement aus dem tragenden Heizleiterkörper i, der aus gut verformbarem
Werkstoff mit hoher Temperaturbeständigkeit angefertigt ist, der durch Prägen derart
verformt wurde, daß Vertiefungen 2 entstehen, die beispielsweise spiralförmig von
der Mitte der Platte nach außen zu verlaufen.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Heizleiterkörper i aus Stahlblech hergestellt.
Es ist aber beispielsweise auch möglich, diesen Körper aus Gußeisen anzufertigen.
Die Vorteile der Erfindung sind so groß, daß die Nachteile die sich aus der Anfertigung
des Heizleiterkörpers aus Gußeisen ergeben (beispielsweise verhältnismäßig hohe
Wandstärken) mehr als aufgewogen werden.
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Der vorwiegend spiralförmig gewickelte Heizleiter 3 ist in bekannter
Weise in eine kompakte feste Isolierschicht 4 eingebettet, die vor dem Einbringen
etwa pulverförmige Konsistenz hat. Die Isolierschicht schließt mit der Oberkante
der Grate 5 der Einprägungen 2 auf einer Ebene ab. Diese durch die Grate 5 und die
Isoliermasse 4 gebildete Fläche, auf die der
Kochtopf zu stehen
kommt und die als Nutzheizfläche dient, wird erfindungsgemäß durch eine Metallschicht
6 abgeschlossen, die auf der Auftragungsfläche aus .dem flüssigen Zustande heraus
gebildet ist. Diese Schicht geht mit den Graten 5 und damit dem Heizleiterkörper
i eine innige metallische Verbindung ein. Außerdem verbindet sich auch diese Schicht
mit der Isoliermasse bis in ihre feinsten Poren und Fugen. Es ergeben sich auf diese
Weise die oben angeführten Vorteile. Als Material für die Metallschicht kann ein
Stoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit gewählt werden. Es ist aber auch möglich, Kitze-
und korrosionsbeständiges Material zu nehmen oder es nach noch anderen Gesichtspunkten
auszuwählen.
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Die untere Seite wird zweckmäßigerweise mit einer wärmedämmenden Isolierschicht
7 belegt, die von einem unteren Abschlußdeckel 8 gehalten wird, der an der Stelle
9 im inneren Rande des Heizleiterkörpers i geführt wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.2 stimmt im wesentlichen die Ausbildung
des Heizleiterkörpers i mit der Ausbildung dieses Körpers gemäß der Ausführungsform
nach Fig. i überein. Dieser Heizleiterkörper ist wiederum mit Einprägungen 2 versehen,
die auf ihrer nach oben offenen Seite zur Aufnahme des Heizleiters 3 dienen, der
in eine Isolierschicht 4 eingebettet ist. Die Metallschicht 6 stimunt völlig, hinsichtlich
Ausbildung und Auftragung, mit der entsprechenden Metallschicht der Ausführungsform
nach Fig. i überein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind jedoch auch die nach
unten zu sich öffnenden Einprägungen des Heizleiterkörpers i mit einem weiteren
Heizleiter ii versehen, der in eine entsprechende Isolierschicht io eingebettet
ist. Die Abdeckung der Isolierschicht io und der nach unten zu weisenden Grate der
Einprägungen 2 des Heizleiterkörpers i erfolgt durch eine Metallschicht 12, die
in ähnlicherWeise ausgebildet ist wie die Metallschicht 6 auf der Oberseite des
Heizleiterkörpers.
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Aus dem Teilschnitt der Fig. 3 ergibt sich deutlicher, wie beispielsweise
die in flüssigem Zustande aufgebrachte Metallschicht 6 in den Heizleiterkörper i
übergeht. Dadurch, daß diese Metallschicht flüssig aufgebracht wird und an jeder
Stelle eine innige Verbindung mit dem Heizleiterkörper eingeht, ergibt sich auch
an der Außenkante 13 der Metallschicht nicht die Gefahr einer Undichtheit.
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Zur Erweiterung des Korrosionsschutzes kann auch die flüssig aufgebrachte
Metallschicht gemäß Fig. 4 den gesamten Heizleiterkörper umschließen, der hier mit
14 bezeichnet ist. Die Flächen 16 und 17 auf der Unterseite der Kochplatte können
ebenso wie die Seitenfläche 15 dünner gehalten sein als die Wärmenutzfläche 25,
auf die der Topf aufgesetzt wird. Im übrigen sind keinerlei Unterschiede gegenüber
den anderen Ausführungsformen hinsichtlich des Heizleiters 3 und der Isolierschicht
Der Teilschnitt der Fig. 5 zeigt den Ein- oder Austritt des Anschlußendes 18 des
Heizleiters 3 in das Innere bzw. aus dem Inneren des Heizleiterkörpers i. Die äußere
Einprägung des Heizleiterkörpers i ist mit einem Stutzen 20 versehen, der nach unten
zu an der Eintrittsstelle i9 aufgebördelt ist. In die beispielsweise kegelig ausgebildete
Öffnung des Stutzens 2o ist ein Formstück oder Pfropfen 2Z eingesetzt, der vorzugsweise
aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Dieser Pfropfen ist mit einer Bohrung
22 versehen, die an ihren beiden Enden kegelig ausgesenkt ist. Die auf diese Weise
geschaffenen Räume 23 und 24 dienen zur Aufnahme eines Dichtungsmittels, als welches
auch in flüssigem Zustande aufgebrachtes Metall dienen kann. In ähnlicher Weise
ist vorzugsweise auch die Abdichtung des Stutzens i9 durchzuführen, wie bei 26 gezeigt
ist. PATENTANSPRÜCHE:
i. Elektrisch zu beheizendes massearmes Heizelement,
dessen Heizleiter in Isolierstoff eingebettet sind, der in Vertiefungen eines nach
der Wärmenutzfläche zu durch eine Metallschicht abgedeckten Körpers (Heizleiterkörpers)
eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht an der Auftragungsfläche
aus dem flüssigen Zustande heraus gebildet ist.
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2. Heizelement nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die in
flüssigem Zustande aufgebrachte Metallschicht den Isolierstoff gegenüber dem Äußeren
abschließt.
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3. Heizelement nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grate der Vertiefungen des Heizleiterkörpers auf seiner einen Seite bis zu der
Auftragungsfläche der Metallschicht reichen und dort mit ihr bei ihrer Bildung eine
innige Verbindung eingehen.
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4. Heizelement nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
es in Form eines Heizstabes ausgebildet ist.
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5. Heizelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es in
Form eines Ringes ausgebildet ist.
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6. -Heizelement nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
es als Tauchsieder ausgebildet ist.
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7. Heizelement nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des Heizleiterkörpers Heizleiter
angeordnet sind und je eine Metallschicht aufgebracht ist.
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B. Heizelement nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschicht den gesamten Heizleiterkörper umschließt.
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g. Heizelement nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschicht an den nicht der Wärmeausnutzung dienenden Flächen dünner gehalten
ist.
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io. Heizelement nach Anspruch i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die der Metallschicht zugekehrte Fläche der Isolierschicht oder die ihr zugekehrten
Grate der Vertiefungen des Heizleiterkörpers oder beide mit besonderen Spitzen,
Einbuchtungen, Aufrauhungen oder gleichzeitig mehreren von ihnen zur Vergrößerung
der Wärmeübergangsfläche versehen sind.
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ii. Heizelement nach Anspruch i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschicht nach einem Metallspritzgußverfahren aufgebracht ist.
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12. Heizelement nach Anspruch i bis io, dadurch
gekennzeichnet,
dafi die Metallschicht durch Spritzen aufgebracht ist.
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13. Heizelement nach Anspruch i bis io, dadurch gekennzeichnet, daB
die Metallschicht durch Niederschlag von verdampfendem Metall aufgebracht ist. 14.
Heizelement nach Anspruch i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daB die AnschluBenden
der Heizleiter mit einem vorzugsweise keramischen Formstück versehen sind, das mit
Hilfe von in flüssigem Zustande aufgebrachtem Metall abgedichtet ist.