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Elektrische Heizvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Heizvorrichtung mit einem becherförmigen Gefäß, dessen Seitenwand mit einem Heizkörper
versehen ist, und einem im Stromkreis der Heizvorrichtung liegenden thermischen
Schalter, der am Boden dieses Gefäßes angeordnet ist.
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Die Erfindung bezweckt, eine elektrische Heizvorrichtung der obengenannten
Gattung zu schaffen, welche insbesondere dafür ausgebildet ist, den Inhalt eines
in das becherförmige Gefäß zu setzenden Gefäßes schlecht wärmeleitfähigen Materials,
z. L. einer Selmullerflasche, aufzuheizen und genau auf einer vorherbestimmten Temperatur
zti halten. Bekannte Vorrichtungen der obengenannten Art weisen den -Nachteil auf,
daß die Wärmeübertragung vom Heizkörper über den zu heizenden Inhalt des Gefäßes
schlecht wärmeleitfähigen Materials zum therrriischen Schalter durch den beträchtlichen
Wärmewiderstand über den obengenannten Weg sehr stark verzögert wird mit dem Erfolg,
daß das Ansprechen des thermischen Schalters für das Ein- bzw. Ausschalten des Heizkörpers
bei einer Temperatur stattfinden wird, welche niedriger bzw. höher als die mittlere
Temperatur des Inhalts des letztgenannten Gefäßes ist, so daß es nicht möglich ist,
diesen Inhalt mit großer Annäherung genau auf einer vorherbestimmten Temperatur
zu halten.
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Bei bekannten Heizvorrichtungen der obengenannten Art mit einem becherförmigen
Metallgefäß, welches gewöhnlich zur Erwärmung von Getränken und anderen Nahrungsmitteln
unmittelbar in diesem Gefäß bestimmt ist, liegt diese Aufgabe nicht vor.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Heizkörper und dein thermischen Schalter
ein Wärmenebenschluß
mit vorherbestimmter Wärmeleitung vorgesehen,
um beim Heizen des Inhalts eines in das becherförmige Gefäß zu setzenden Gefäßes
schlecht wärmeleitfähigen Materials die Verzögerung auszugleichen, welche in der.
Wirkung des Schalters infolge des beträchtlichen Wärmewiderstandes bei der Wärmeübertragung
vom Heizkörper über den Inhalt des letztgenannten Gefäßes zum Schalter auftreten
würde, derart, daß der Unterschied zwischen der in dieser Weise korrigierten Temperatur
des thermischen Schalters und der mittleren Temperatur des Inhalts des genannten
Gefäßces nahezu verschwindet, sobald die Einstelltemperatur der Vorrichtung erreicht
ist. Mit dieser Vorrichtung ist gesichert, daß der Inhalt des Gefäßes schlecht wärmeleitfähigen
Materials beim Erreichen der- vorherbestimmten Einstelltemperatur dauernd auf dieser
Temperatur gehalten wird, ohne daiß! beträchtliche Temperaturschwankungen infolge
einer Verzögerung in der Wirkung des thermischen Schalters auftreten.
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Der Wärmenebenschluß kann durch einen beliebigen Körper .mit einer
vorher abgestimmten Wärmeleitung gebildet werden, der sich vom Heizkörper bis zum
thermischen Schalter erstreckt.
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Erfindungsgemäß kann das becherförmige Gefäß aus schlecht wärmeleitfähigem
Material bestehen und der Wärmenebenschluß in Form eines Metallstreifens mit vorherbestimmter
Wärmeleitung auf der Außenseite der Seitenwand des becherförmigen Gefäßes angeordnet
sein. Bei Anwendung eines becherförmigen Gefäßes schlecht wärmeleitfähigen Materials
wird eine erhebliche Verzögerung in der Wirkung des thermischen Schalters auftreten,
aber diese Verzögerung kann nunmehr leicht durch eine richtige Wahl des Werkstoffes
und der Abmessungen des Metallstreifens ausgeglichen werden. Dieser Streifen kann
z. B. aus Metallgaze bestehen.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann das becherförmige Gefäß
ebenfalls aus schlecht wärmeleitfähigem Material bestehen und der Wärmenebenschluß
in Form eines Metallstreifens mit vorherbestimmter Wärmeleitung in der Seitenwand
des becherförmigen Gefäßes eingebettet sein. Dadurch, daß der Metallstreifen in
der Seitenwand des becherförmigen Gefäßes eingebettet wird, ist dieser Streifen
vollständig vor schädlichen Einflüssen, wie Korrosion, welche andernfalls die wärmeleitende
Eigenschaft dieses Streifens beeinträchtigen könnte, geschützt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das becherförmige
Gefäß aus schlecht wärmeleitfähigem Material bestehen und der Wärmenebenschluß in
Form von gut wärmeleitenden Metallteilchen ausgebildet sein, welche gleichmäßig
im schlecht wärmeleitfähigen Material des becher-.förmigen Gefäßes verteilt angeordnet
sind. Durch richtige Mischung einer vorherbestimmten Menge von gut wärmeleitenden
Metallteilchen mit dem schiecht wärmeleitfähigen Material beim Pressen des becherförmigen
Gefäßes kann leicht dafür gesorgt werden, ein homogenes becherförmiges Gefäß mit
vorherbestimmter Wärmeleitung zu schaffen. Die genannten Teilchen können z. B. aus
Kupfer- oder Aluminiumflittern bestehen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das becherförmige
Gefäß aus schwer wärmeleitfähigem Metall bestehen und dazu ein Streifen gut wärmeleitfähigen
Metalls angeordnet sein, welcher Streifen derart bemessen ist, daß dieser zusammen
mit der Wand des becherförmigen Gefäßes einen zusammengesetzten Wärmenebenschluß
mit vorherbestimmter Wärmeleitung bildet. Bei dieser Anordnung kann die Wärmeleitung
des becherförmigen Gefäßes aus schwer wärmeleitfähigem Metall, z. B. rostfreiem
Stahl, mittels dieses Streifens derart abgestimmt werden, daß ein zusammengesetzter
Wärmenebenschluß mit der richtigen Wärmeleitung gebildet wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das becherförmige
Gefäß ebenfalls aus schwer wärmeleitfähigem Metall bestehen, mit einer solchen Wärmeleitfähigkeit
und solchen Abmessungen, daß dieses becherförmige Gefäß an sich den Wärmenebenschluß
bildet.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann weiterhin ein zusätzlicher
Heizkörper angeordnet werden, welcher nahe dem thermischen Schalter angeordnet ist
und zugleich mit dem vorhergenannten Heizkörper ein- und ausgeschaltet werden kann,
um einen kleinen Teil der für den Ausgleich erforderlichen Wärmemenge durch Strahlung
dem thermischen Schalter zuzuführen. Bei dieser zusätzlichen Beeinflussung des thermischen
Schalters durch Strahlung wird erreicht, daß dieser Schalter schneller arbeitet,
was mit sich bringt, daß die Temperatur beim Erreichen des Einstellwertes genau
konstant gehalten werden kann. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Heizvorrichtung
für Laboratoriumzwecke verwendet wird.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung darstellt, erläutert werden.
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Abb. i zeigt eine Ausbildung der Vorrichtung in vertikalem, axialem
Schnitt, welche Ausbildung sich auf zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung bezieht;
Abb. z und 3 stellen schematisch die Wärmeübertragung dar, welche bei einer anderen
Ausführungsform der Heizvorrichtung stattfindet; Abb. 4 zeigt einen Bimetallschalter
gesondert in Seitenansicht; Abb. 5 veranschaulicht die Unteransicht des becherförmigen
Gefäßes mit dem darauf angeordneten Bimetällschalter; Abb.6 zeigt die Stirnansicht
der in diesem Schalter angewandten Kontaktanordnung; Abb. 7 ist ein Temperaturdiagramm,
das sich auf eine Ausführung der Heizvorrichtung gemäß Abb. i bezieht.
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Die in Abb. i dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Behälter
z, welcher mittels eines Bajonettverschlusses mit einem Streifen 2 auf
einem
Sockel 3 befestigt werden kann. Im Behälter i, welcher vorzugsweise aus Kunststoff
hergestellt ist, ist ein becherförmiges Gefäß .I geklemmt. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung besteht das Gefäß 4. aus wärmebeständigem Kunstharz, das gleichmäßig
verteilt Teilchen aus gut wärmeleitfähigem Metall, wie Kupfer oder Aluminium, enthält,
wobei das Mischverhältnis derart gewählt ist, daß die richtige Wärmeleitung erhalten
wird. Das Gefäß 4 ist auf der Wand des Behälters i mittels eines Ringes 5 aus Gummi
abgedichtet. welcher unter dem Oberrand des genannten Gefäßes angeordnet ist. Das
becherförmige Gefäß ,4 ist außen vollständig mit einer Schicht aus Isolierstoff,
z. B. wärmebeständigem Kunstharz, überzogen. Um und teilweise in der genannten Schicht
ist um die Seitenwand des Gefäßes q. eine Heizwicklung 6 angeordnet, welche z. B.
aus N iekel-Chrom-Draht besteht. Ein Ende dieser Wicklung ist mit einer der Adern
der Zufuhrleitung 8 verbunden, -,welche durch den Sockel 3 eingeführt ist, und zwar
mittels einer Leitung;. Das andere Ende dieser Wicklung ist mittels einer Leitung
9 mit dem Bimetallschalter io verbunden. Dieser Schalter. der am Boden des Gefäßes
d. befestigt ist, welcher Boden auch mit Isolierstoff überzogen ist, wird weiter
an Hand der Abb.4, 5 und 6 beschrieben werden. Eine Leitung i i führt den Strom
von dem Bimetallschalter io zu einem der Kontaktstücke einer Prüflampe 12, welche
zu gleicher Zeit zur Verriegelung der Teile i und 3 dient, wobei das andere Kontaktstück
dieser Lampe mittels einer Leitung 13 mit der anderen Ader der Zufuhrleitung 8 verbunden
ist.
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Ein Gefäß 1..1, gewöhnlich aus Glas, z. B. eine Schnullerflasche,
kann in den Behälter i und in das darin abgedichtete becherförmige Gefäß q. gesetzt
werden. Um eine gleichmäßige Wärmeübertragung zwischen der Außenwand des Gefäßes
1.4 und dem becherförmigen Gefäß 4 zu erhalten, wird letzteres teilweise mit Flüssigkeit,
im allgemeinen mit Wassergefüllt, bevor das Gefäß 14 in das Gefäß ,4 eingesetzt
wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung besteht das
Gefäß .a. aus schwer wärmeleitfähigem Metall, wie rostfreiem Stahl, wobei die \Värmeleitfäliigl:eit
und die Abmessungen derart gewählt werden. daß dieses Gefäß an sich den Wärinenebenschluß
zwischen der Heizwicklung 6 und dem Bimetallschalter io bildet.
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Im Diagramm nach Abb. ;7, das sich auf eine Heizvorrichtung
mit der allgemeinen Anordnung von Abb. i bezieht, ist die mittlere Heiztemperatur
des Inhalts des Gefäßes 1.. als Funktion der Heizzeit durch vier Kurven dargestellt,
wobei drei dieser Kurven aus Messungen erhalten worden sind.
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In allen Fällen, auf die die Kurven sich beziehen, wird eine Flüssigkeitsmenge
von 130 cms mit einer Anfangstemperatur von 18 bis auf eine Endtemperatur von 4.o°
C erwärmt.
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In dein in Kurve I veranschaulichten Fall wird ein Becher aus Eisen
mit einer Wandstärke von etwa 0,4 mm als das becherförmige Gefäß .4 mit v orherbestimmter
Wärmeleitung verwendet. Kurve l besteht aus einem ziemlich steilen Teil, welcher
mit einer vollausgezogenen Linie bis an den Temperaturwert von 36'°'C angegeben
ist. Sobald diese Temperatur erreicht ist, unterbricht der Bimetallschalter io den
die IHeizwicklung 6 durchfließenden Strom. Die Temperatur steigt jedoch weiter infolge
der Wärmeträgheit der ganzen Vorrichtung, wie durch den anschließenden, als punktierte
Linie angegebenen Teil der Kurve I gezeigt wird. Inzwischen kühlt der Bimetallschalter
io, ungeachtet der Wärmezufuhr, welche gewissermaßen durch die Wand des Gefäßes
.4 stattfindet, ab, so daß dieser Schalter wieder schließt und also die Heizwicklung
6 wieder einschaltet. Die Temperaturänderung der Flüssigkeit erfolgt dann gemäß
dein kleinen Kurventeil, welcher als eine vollausgezogene Linie angegeben ist, die
sich an den ersten punktierten Teil der Kurve anschließt. Aus dem weiteren Verlauf
von Kurve I ergibt sich, daß nach etwa S Minuten Temperaturschwankungen innerhalb
eines Gebietes von .Io bis 4i° C stattfinden. Weiter ergibt sich aus dem Verlauf
der Kurve I, daß Kurve IV, welche sich auf die ideale Regelung bezieht, ziemlich
gut angenähert wird, obgleich die Abstimmung noch etwas verbessert werden kann,
indem eine etwas kleinere Ausgleichswärmemenge gewählt wird.
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Kurve II bezieht sich auf den Fall, daß ein Becher aus Kupfer mit
einer Wandstärke von etwa 0,4 mm als becherförmiges Gefäß .1. verwendet wird. Das
Schalten des Bimetallschalters io fängt dann bereits bei 27" C an, also bei einer
zu niedrigen Temperatur. Man hat nun jedoch den Nachteil, daß die Heizzeit unnötig
lange ist, was unerwünscht ist. Die Zeit, welche die Vorrichtung braucht, auf welche
Kurve II sich bezieht, um die Flüssigkeit bis 39° C aufzuheizen, ist nahezu zweimal
so lang als bei der Vorrichtung, auf welche Kurve I sich bezieht. Dieser Nachteil
kann dadurch beseitigt werden, daß zwischen dem Boden des becherförmigen Gefäßes
und dem Bimetallschalter eine zusätzliche Schicht aus schlecht wärmeleitfähigem
Material angeordnet wird, um die Wärmeleitung über den Wärmenebenschluß herabzusetzen.
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Schließlich bezieht Kurve III sich auf den Fall, daß ein Becher aus
Kunstharz oder Glas als becherförmiges Gefäß 4 verwendet wird, d. h. aus einem Werkstoff
mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit. Aus dieser Kurve geht hervor, daß die
Temperatur, bei der der Bimetallschalter io in Tätigkeit tritt, beträchtlich über
der beizubehaltenden Heiztemperatur (4o° C) liegt, nämlich q.8'' C. Es hat sich
gezeigt, daiß es in diesem Fall 1/2 Stunde dauert, bevor die Temperatur unter q.o°
C gesunken ist und der Bimetallschalter seine Kontakte wieder schließet.
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Eine Flüssigkeitsmenge von 130 cmg kann als mittlere Füllung
des Gefäßes 1d. angenommen werden. Tatsächlich müßte für einen genauen Ausgleich
die unmittelbare Wärmebeeinflussung des Bimetallschalters auch von der aufzuheizenden
Flüssigkeitsmenge
abhängig sein. Wenn für eine Flüssigkeitsmenge von 130 cm3 die Temperatur, bei der
der Schalter anfängt -zu arbeiten, der beizubehaltenden Temperatur (4o'°. C) gleich
gewählt wird, wird die erstgenannte Temperatur q.3'° C werden, falls nur eine Menge
von 5o cm3 Flüssigkeit geheizt wird, während diese Temperatur nur 36'° C sein wird,
wenn eine Flüssigkeitsmenge von Zoo cm3 geheizt wird.
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Es zeigt sich, daß im Fall, wo mit der genannten Vorrichtung ein genauer
Ausgleich vorgesehen wird, wenn eine normale Flüssigkeitsmenge von 130 cm3 geheizt
wird, bei Flüssigkeitsmengen zwischen 5o und Zoo cm3 in bezug auf die selbsttätige
Regelung auch erträglichen Anforderungen entsprochen wird. Im allgemeinen ist es
mit der Vorrichtung der obengenannten Art möglich, die Temperaturschwankungen bei
einer Einstelltemperatur von 4o" C innerhalb eines Bereiches von etwa 5°' C zu halten.
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In den Abb. 2 und 3 ist ein Teil einer anderen Ausführungsform der
Vorrichtung in vertikalem, axialem Schnitt angegeben. Aus Abb. 2 ist zu sehen, daß
das becherförmige Gefäß 4 zum Teil mit Wasser gefüllt ist, bevor das Gefäß 14 in
das erstgenannte Gefäß gesetzt wird, während Abb.3 dieses becherförmige Gefäß mit
dem eingesetzten gefüllten Gefäß 14 darstellt.
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Bei der Ausführungsform gemäß den Abb.2 und 3 ist eine Hilfsheizwicklung
15 mit der Heizwicklung 6 parallel geschaltet, wobei die erstgenannte Wicklung unterhalb
des Bimetallschalters io angeordnet ist und dazu dient, einen kleinen Teil der zum
Ausgleich erforderlichen Wärmemenge durch Strahlung diesem Schalter zuzuführen,
um ein schnelleres Ansprechen des Schalters zu fördern. Dies wird in einem weiteren
Teil der Beschreibung näher erläutert werden.
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In den Abb. 2 und 3 ist weiter mit Pfeilen angegeben, wie die Wärmeübertragung
im allgemeinen bei dieser Vorrichtung stattfindet. Wie aus Abb. 3 hervorgeht, wird
eine Wärmemenge W2, welche zum Aufheizen des Inhalts des Gefäßes 14 dient, von der
Heizwicklung 6 über das Wasser im becherförmigen Gefäß 4 und die Wand des Glasgefäßes
14 dem Inhalt des letztgenannten Gefäßes zugeführt. Dann beeinflußt diese Wärme
über den Boden des Gefäßes 14, das zwischen diesem Boden und dem Boden des becherförmigen
Gefäßes vorhandene Wasser, den letztgenannten Boden und die Schicht aus Isolierstoff,
welche auf der Unterseite dieses Bodens angeordnet ist, den Bimetallschalter io.
Weiter wird ein Teil W1 der von der Heizwicklung 6 erzeugten Wärme über die Schicht
aus Isolierstoff, in der diese Wicklung eingebettet ist, die Wand und den Boden
des becherförmigen Gefäßes 4, welches z. B. aus Metall mit einer vorherbestimmten
Wärmeleitfähigkeit besteht, unmittelbar denn Bimetallschalter io zugeführt, um die
Verzögerung auszugleichen, welche in der Wirkung dieses Schalters infolge des langen
durch die Wärmemenge W2' zurückzulegenden Weges stattfinden würde. Wie aus den Abb.
4, 5 und 6 hervorgeht, besteht der Bimetallschalter io aus einem doppeltgefalteten
Bimetallstreifen 16, der bei der Verbindung zwischen seinen Schenkeln mit einem
Stück Metallgaze 17 von größerer Wärmeleitfähigkeit und mit verhältnismäßig großer
Oberfläche verlötet oder damit in einer anderen Weise verbunden ist, um eine gute
Wärmeleitung zu schaffen. Die Metallgaze kann vorzugsweise aus Kupfer bestehen.
Ein Streifen aus Isolierstoff ig: ist um das freie Ende des Schenkels 18 des doppeltgefalteten
Bimetallstreifens gefaltet, und zwei Stäbchen 2o aus Wolfram sind auf die der Gaze
abgewandten Seite dieses Streifens befestigt mittels eines Metalldrahtes 21, der
um ihre Enden gewickelt ist und den Streifen ig umfaßt (Abb. 6). Am Ende des anderen
Schenkels 22 des doppeltgefaltetenBimetallstreifens 16 ist ein Streifen 23 aus Kontaktwerkstoff
befestigt, wobei das freie Ende des letztgenannten Streifens sich gerade etwas über
die Wclframstäbchen 2o hinaus erstreckt. Versuche haben ergeben, daß zur Erhaltung
eines sehr guten und praktisch wenig klebenden elektrischen Kontakts der Streifen
aus Kontaktmetall 23 vorzugsweise aus Nickel bestehen soll. Es ist nämlich erwünscht,
daß die Kontaktglieder etwas kleben, so daß Schwingungen und schädliche Funkenbildung
vermieden werden.
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In diesem Zusammenhang ist die Ausbildung der Vorrichtung gemäß den
Abb. 2 und 3 mit Zufuhr eines Teils der zum Ausgleichen erforderlichen Wärmemenge
mittels Strahlung besonders geeignet, weil ein schnelleres Schalten ein schnelleres
Abfallen der Kontakte fördert.
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In dieser Weise wird ein kräftiger und zuverlässig arbeitender Bimetallschalter
erhalten, der bei einer Spannung von 22o Volt sehr gut eine Stromstärke von etwa
o,5 Ampere auch bei längerer Benutzung aushalten kann, ohne zu Störungen Anlaß zu
geben. Die Anwendung eines solchen kräftigen Bimetallschalters bei einer Heizvorrichtung
der obengenannten Art ist lediglich ermöglicht durch Anwendung des Prinzips, gemäß
dem eine vorherbestimmte Wärmemenge dem Bimetallschalters io unmittelbar über einen
Wärmenebenschluß mit vprherbestimmter Wärmeleitung zugeführt wird.
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Die Hilfsheizwicklung 15 im Ausführungsbeispiel nach den Abb. 2 und
3 bezweckt, in der Hauptsache dafür zu sorgen, daß, sobald der Inhalt des Gefäßes
14 auf die richtige mittlere Temperatur gebracht ist, auf welcher Temperatur dieser
Inhalt gewöhnlich während einer gewissen Zeit gehalten werden soll, praktisch keine
Temperaturschwankungen während dieser Zeit auftreten. Sobald der Inhalt des Gefäßes
14 die gewünschte mittlereTemperatur erreicht hat, muß der Bimetallschalter den
Stromkreis öffnen, wozu dieser Schalter durch die mittlere Temperatur der Flüssigkeit
im Gefäß 14 beeinflußt werden sollte. Sobald der Bimetallschalter io seine Kontakte
23; 2o öffnet, wird nicht nur die Heizwicklung 6 ausgeschaltet, sondern auch die
Hilfsheizwicklung 15:
Da die Hilfsheizwicklung 15 unmittelbar unterhalb
des Bimetallschalters io angeordnet ist, wird die Beeinflussung der Temperatur dieses
Schalters schneller stattfinden als durch die Wärmeübertragung über die dünne Wand
des becherförmigen Gefäßes ... Durch die Anwendung der Hilfsheizwicklung 15 kann
die Temperatur genauer gesteuert werden. Bei Anwendung eines Metall-(Y .I (vgl.
Kurve I in Abb. 7) wird die bei der Regelung auftretende Temperaturschwankung anstatt
etwa i ° C etwa o,1 ° C sein. Dies kann insbesondere von großer Bedeutung sein,
wenn die Vorrichtung in Laboratorien verwendet wird. Für Haushaltszwecke ist eine
solche genaue Regelung nicht notwendig. Im allgemeinen ist es bei der Vorrichtung
der letztgenannten Art möglich, die Temperaturschwankungen bei einer Einstelltemperatur
von .Io° C innerhalb eines Bereiches von etwa 2v C zu halten.
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Die beschriebenen Heizvorrichtungen können beliebig abgeändert werden,
ohne außerhalb des Rahmens der Erfindung zu treten. Beim Ausführungsbeispiel nach
den Abb. 2 und 3 kann z. B. der Hilfsheizkörper anstatt durch die Wicklung 15, durch
einen ausgespannten Wärmeleiter gebildet werden, welcher quer zur Längsrichtung
der Schenkel 18 und 22 zwischen diesen Schenkeln angeordnet ist. Durch diese Anordnung
kann der Bimetallschalter noch besser durch Strahlung von einem Hilfsheizkörper
beschränkter Länge beeinflußt werden.