WO1999021401A1 - Highly efficient heating element - Google Patents

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WO1999021401A1
WO1999021401A1 PCT/CH1998/000450 CH9800450W WO9921401A1 WO 1999021401 A1 WO1999021401 A1 WO 1999021401A1 CH 9800450 W CH9800450 W CH 9800450W WO 9921401 A1 WO9921401 A1 WO 9921401A1
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Dusko Maravic
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/20Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
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    • H05B3/26Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • H05B3/262Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base the insulating base being an insulated metal plate
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021Heaters specially adapted for heating liquids
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022Heaters specially adapted for heating gaseous material

Definitions

  • the invention relates to a heating element according to the preamble of claim 1.
  • metal preferably chromium steel, for example 1.4742 and 1.4016, can be used as the plate material. There is no indication of the dimensional stability of the panels in the event of thermal overloads.
  • the use of high-tech ceramics for hot plates has recently shown that induction cooking and roasting is still not the most perfect solution.
  • This material is characterized by unprecedented performance data such as energy consumption, heating time and working temperature.
  • the invention has for its object to provide a hotplate that is superior to the known hotplates in terms of performance and manufacturing costs.
  • this object is achieved by a heating plate which is characterized by the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
  • Figure 2 is a plan view of the heating plate.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the plate
  • Fig. 4 is a heating element in the form of a tube
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment of a rohrför
  • Fig. 1 shows the functional structure of the new heating plate.
  • the material of the insulation layer 2 must have good electrically insulating properties. In addition, their adhesion to plate 1 must be good. Finally, layer 2 must not stand out from plate 1, for example due to loss of adhesion or excessive expansion in relation to plate 1. Very good adhesion is achieved if an insulation layer is formed by galvanic aluminum oxidation. The resulting Al 2 0 3 layer has an extremely good adhesion.
  • the insulation layer 2 can also be produced by other thermal processes, for example plasma spraying, etc.
  • the layer thickness must be chosen so that it has sufficient adhesion to the plate 1 in order to guarantee long-term stability of this connection. As a rule, that is
  • Elongation of a thin layer is much greater than that of the bulk material. Nevertheless, there are limits to the layer thickness, for example because the adhesion of the layers with a distinct life of their own can weaken over time and can even be completely lost.
  • the insulation layer 2 must have a sufficient dielectric strength. At operating voltages of 230 or 400 V and at operating temperature of plate 1 of approx. 230 ° C, the layer must have a dielectric strength of 1250 V for 1 minute.
  • the layer 2 In addition to good electro-insulating properties, the layer 2 must also be a good heat conductor so that the heat generated in the heating layer 3 can reach the plate 1 through the insulation layer 2.
  • a thermal insulation 4 is advantageous for reducing the heat losses.
  • the operating temperature of the hotplate is limited to a maximum of 230 to 250 ° C. Higher temperatures are not necessary for cooking and roasting because, on the one hand, the heat is better used with good cookware and, on the other hand, the hotplate has an excellent response behavior.
  • the properties described above are due to the excellent thermal properties of the heating plate. They refer to the aluminum sheet material.
  • Aluminum has a very high heat penetration coefficient b (greater than 20,000 Wsl / 2 / Km2) and can therefore sense the slightest changes in temperature. This property is welcome on the one hand, on the other hand temperature sensors with a very short response time are required.
  • An ordinary Pt 100 for example, cannot be used for this because it is too slow. That is why the hotplate is operated with fully electronic, power-controlled temperature control.
  • Thin resistance layers made of nickel, titanium or other suitable materials are used as temperature sensors on the hotplate.
  • the use of fast reacting thermocouples and special thermocouples is also conceivable. Because the temperature difference between the bottom of the hotplate and the inside of the bottom of the pot is only a few ° K, these sensors can also easily determine the current temperature of the pot contents.
  • thermo-induced bending stress which causes the so-called bimetal effect, is so low that no significant curvature of the plate can occur.
  • any metallic or non-metallic material can be used for the heating plate, provided that it is a good conductor of heat. Whether it also has other good physical properties at the same time is secondary, since it is possible at any time to achieve the desired properties, such as hardness, color, etc. with additional treatments. Gray cast iron and other iron alloys, provided they are good heat conductors, can also be used.
  • the proposed hot plate is provided as a hot plate, preferably in connection with a new cookware. It has been proven that working temperatures, i.e. the hotplate temperatures can be kept very low with optimally coordinated cooking systems, although it initially appears that especially when roasting high temperatures of well over 250 ° C, usually over 350 ° C are required. However, it is not true that these temperatures are required. There is a tendency to heat a frying pan to such an extent that, thanks to the high temperature level, it has sufficient heat capacity so that it does not get too cold when the food, for example meat or fish, is inserted. One should not forget that when a large piece of meat is placed in a pan, the pan or the oil temperature below the meat cools from 300 ° C to around 70 ° C within a few seconds. As a rule, however, it takes more than 30 seconds for the
  • a layer of an electrically insulating compensation medium 7 is arranged between the two plates 1 and 9.
  • Thermally conductive pastes (WLP) with insulating properties can preferably be used as the compensation medium. They are usually provided with good thermal conductive ceramic fillings, which one
  • Insulation resistance of more than 1014 ⁇ From an energetic point of view, this solution is somewhat inferior to that shown in FIG. 1, since the heat-emitting plate 9 has an additional mass. This difference can be kept small, however, since the thickness of the plate 1 can now be reduced significantly. As a rule, a thickness of up to 2 mm is sufficient.
  • This version also allows you to choose from a number of additional materials.
  • materials with very specific properties can preferably be used without having to be good heat conductors.
  • Such a material can be, for example, gray cast iron, stainless steel, hardened non-ferrous metal alloys, electrically conductive high-tech ceramics, such as liquid phase sintered silicon carbide.
  • Fig.4 represents a heating tube, which is analogous to
  • FIG. 5 A further tubular solution, which is analogous to the version in FIG. 3, is shown in FIG. 5.

Landscapes

  • Cookers (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

A highly efficient heating element has a flat heat source and a surface that radiates heat outwards and serves in particular as a hot plate. A layer of heat-insulating material (1) is provided with an electrically insulating layer (2) upon which is applied a resistance layer (3) that serves as a heat source.

Description

Hocheffizientes HeizelementHighly efficient heating element
Die Erfindung betrifft ein Heizelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a heating element according to the preamble of claim 1.
Die rasante Entwicklung im Bereich des rationellen Umganges mit dem Energieverbrauch verlangt immer grössere Anstrengungen bei der Schaffung neuer, besserer Lösungen. Im Bereich des Kochens und Bratens, d.h. bei Küchenherden, werden immer häufiger Verbesserungen vorgenommen. Altgediente Billiglösungen, wie die Massenkochplatten werden zunehmend durch die Glaskeramik-Kochsysteme verdrängt, obwohl die letzteren um ein mehrfaches teurer sind. Dass der Anschaffungspreis eines Herdes zunehmend unbedeutender wird, geht zurück auf die Strompreisentwicklung. Zudem kommt noch eine wichtige Grosse hinzu, nämlich die Schnelligkeit. Die letztere Forderung hat die Einführung des Induktionsherdes bedeutend begünstigt. Nimmt man die beiden Wunscheigenschaften des Kunden ernst, dann wird dem Induk- tionsherd eine grosse Zukunft eingeräumt, wäre dem nicht sein Anschaffungspreis im Wege. Zur Zeit ist ein Induktionsherd nahezu zehnfach teurer als ein Massenkochfeld und mindestens dreifach als ein gewöhnliches Glaskeramik-Kochfeld. Die Zukunft wird zeigen, ob die gewaltigen energeti- sehen Vorteile des Induktionsherdes seinen hohen Preis rechtfertigen, oder ob eine Reduktion seines Anschaffungspreises unausweichlich ist. Ein Problem ist beim Induktionsherd nicht vermeidbar, nämlich die Existenz eines Magnetfeldes, dessen Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen noch nicht ausreichend untersucht worden sind. Ein noch völlig unberührtes Thema ist die Wasserchemie und die gesundheitlichen Auswirkungen der mit dem Induktionsherd zubereiteten Nahrung. Diese beiden Eigenschaften des Induktionskochens stellen ein gewaltiges Hindernis auf dem Weg der Markteroberung durch die Induktionstechnik dar.The rapid development in the area of rational use of energy requires ever greater efforts to create new, better solutions. In the field of cooking and roasting, i.e. in kitchen stoves, improvements are increasingly being made. Old-fashioned cheap solutions such as mass hot plates are increasingly being replaced by glass ceramic cooking systems, although the latter are several times more expensive. The fact that the purchase price of a stove is becoming increasingly insignificant is due to the development of electricity prices. There is also an important size, namely the speed. The latter requirement has significantly favored the introduction of the induction cooker. If one takes the customer's two desired properties seriously, then the induction cooker is given a great future if it weren't for the purchase price. At the moment, an induction cooker is almost ten times more expensive than a mass hob and at least three times more than an ordinary glass ceramic hob. The future will show whether the enormous energetic advantages of the induction cooker justify its high price or whether a reduction in its purchase price is inevitable. One problem with the induction cooker is unavoidable, namely the existence of a magnetic field, the effects of which on human health have not yet been sufficiently investigated. A still completely untouched topic is the water chemistry and the health effects of the food prepared with the induction cooker. These two properties of induction cooking represent a huge obstacle on the way to market entry through induction technology.
Im Bereich* des Elektrokochens und -backens sind zur Zeit zwei marktdominierende Systeme präsent, nämlich die bil- ligen Massenkochplatten und die teureren Glaskeramikkochfelder. Beide Systeme stellen im europäischen Raum einen Marktanteil von mehr als 95% dar. Die Entwicklung in den letzten fünf Jahren zeigt deutlich, dass eine merkliche Verschiebung der Marktanteile zugunsten der Glaskeramik zu verzeichnen ist. So sind im Jahr 1996 von zehn verkauften Herden sechs aus Glaskeramik. Dies ist aus energetischer Sicht negativ, da mit Kochfeldern aus Glaskeramik eine schlechte Energienutzung erfolgt. Der Vormarsch des Induk- tionsherdes korrigiert diese Fehlentwicklung ein wenig.In the area * of electric cooking and baking, two market-dominating systems are currently present, namely the bil- mass hot plates and the more expensive glass ceramic hobs. Both systems represent a market share of more than 95% in Europe. The development in the past five years clearly shows that there has been a noticeable shift in market shares in favor of glass ceramics. In 1996, six out of ten cookers sold were made of glass ceramics. From an energetic point of view, this is negative, since glass ceramic hobs make poor use of energy. The advance of the induction center somewhat corrects this undesirable development.
Ausser Grauguss und Stahl sind keine metallischen Werkstoffe für die Herstellung von Kochplatten bekannt. Lediglich bei einigen Haushaltswärmegeräten, beispielsweise Kaffeemaschinen, werden die Warmhalteplatten aus Aluminium gemacht. Diese Platten werden aber nur bis auf 100°C aufgewärmt. Der Einsatz solcher Platten als Wärmequelle für das Kochen und Braten, also im Temperaturbereich weit über 100°C, ist bis heute nicht bekannt.Apart from gray cast iron and steel, no metallic materials are known for the production of hot plates. The warming plates are only made of aluminum for some household heating devices, for example coffee machines. These plates are only warmed up to 100 ° C. The use of such plates as a heat source for cooking and roasting, i.e. in the temperature range well above 100 ° C, is still unknown.
Aus DE-A-3728466 ist bekannt, dass als Plattenmaterial Metall, vorzugsweise Chromstahl, beispielsweise 1.4742 und 1.4016 verwendet werden kann. Es gibt keinen Hinweis auf die Formstabilität der Platten bei thermischen Überlastun- gen.From DE-A-3728466 it is known that metal, preferably chromium steel, for example 1.4742 and 1.4016, can be used as the plate material. There is no indication of the dimensional stability of the panels in the event of thermal overloads.
Aus DE-A-29702813 Ul ist bekannt, als Plattenmaterial Metall, vorzugsweise Nickelstahl mit 36-42 % Nickelgehalt - Handelsname INVAR - zu verwenden. Dieses Material wird vorgeschlagen, da es geringe Ausdehnung hat. Es handelt sich um ein in bezug auf die Lebensmittelverträglichkeit ungeeignetes Material. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass man seine Oberfläche entsprechend behandeln niuss.From DE-A-29702813 Ul it is known to use metal, preferably nickel steel with 36-42% nickel content - trade name INVAR - as the plate material. This material is suggested because of its small size. It is an unsuitable material in terms of food compatibility. There is no evidence that you should treat your surface accordingly.
Dass auch das Induktionskochen und -braten noch nicht die vollkommenste Lösung ist, zeigt neuerdings auch der Einsatz der High-Tech-Keramik für Kochplatten. Dieses Material zeichnet sich durch noch nie dagewesene Leistungsdaten, wie Energieverbrauch, Ankochzeit und Arbeitstemperatur aus. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kochplatte bereitzustellen, die in bezug auf die Leistungsdaten und die Herstellungskosten den bekannten Kochplatten überlegen ist.The use of high-tech ceramics for hot plates has recently shown that induction cooking and roasting is still not the most perfect solution. This material is characterized by unprecedented performance data such as energy consumption, heating time and working temperature. The invention has for its object to provide a hotplate that is superior to the known hotplates in terms of performance and manufacturing costs.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch eine Heizplatte, die sich durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auszeichnet.According to the invention, this object is achieved by a heating plate which is characterized by the features specified in the characterizing part of patent claim 1.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the accompanying drawings. Show it:
r -y . eine Schnittdarstellung einer Heizplatte nach derr -y. a sectional view of a hot plate according to the
Erfindung;Invention;
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Heizplatte;Figure 2 is a plan view of the heating plate.
Fig . 3 eine alternative Ausführungsform der Platte;Fig. 3 shows an alternative embodiment of the plate;
Fig. 4 ein Heizelement in Form eines Rohrs undFig. 4 is a heating element in the form of a tube and
Fig. 5 eine alternative Ausführung eines rohrför igenFig. 5 shows an alternative embodiment of a rohrför
Heizelements.Heating element.
Fig. 1 zeigt den funktioneilen Aufbau der neuen Heizplatte. Eine Metallplatte 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einem Durchmesser zwischen 100 und 300 mm und einer Dicke zwischen 2 und 10 mm ist mindestens einseitig oberflächlich mit einer Elektroisolationsschicht 2 überzogen. Auf diese Schicht wird dann eine elektrisch leitende Schicht, sog. Heizschicht 3, angebracht. Dabei ist es unwichtig, wie die Heizschicht 3 hergestellt wird. Vorzugs- weise kann sie durch Auftragen eines Heizpräparats (Widerstandspasten) mittels Siebdruck erzielt werden. Sie kann ebenso durch einen Depositionsprozess, beispielsweise PVD oder CVD, hergestellt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Anpressung eines Folien-Heizmäanders aus bekannten Heizmaterialien. Für alle diese Lösungen gilt, dass die Wärmeübertragung von der Quelle (Schicht, Folie) bis zur Wärmesenke (Metallplatte) durch Wärmeleitung erfolgt, also einer Wärmeübertragungsform, die mit niedrigsten Energieverlusten einhergeht. Das Material der Isolationsschicht 2 muss gute elektrisch isolierende Eigenschaften haben. Ausserdem muss ihre Haftung zur Platte 1 gut sein. Schliesslich darf sich die Schicht 2 nicht von der Platte 1 abheben, beispielsweise durch Verlust der Haftung oder zu grosse Ausdehnung gegenüber der Platte 1. Sehr gute Haftung wird erreicht, wenn eine Isolationsschicht durch galvanische Aluminium-Oxydation entsteht. Die dadurch entstandene Al203-Schicht weist eine enorm gute Haftung auf. Die Isolationsschicht 2 kann auch durch andere thermische Verfahren, beispielsweise Plasmaspritzen etc. hergestellt werden. Die Schichtdicke muss so gewählt werden, dass sie eine ausreichende Haftung gegenüber der Platte 1 hat, um Langzeitstabilität dieser Verbindung garantieren zu können. In der Regel ist dieFig. 1 shows the functional structure of the new heating plate. A metal plate 1 made of aluminum or an aluminum alloy, with a diameter between 100 and 300 mm and a thickness between 2 and 10 mm, is covered at least on one side with an electrical insulation layer 2. An electrically conductive layer, so-called heating layer 3, is then applied to this layer. It is not important how the heating layer 3 is produced. It can preferably be achieved by applying a heating compound (resistance pastes) using screen printing. It can also be produced by a deposition process, for example PVD or CVD. Another possibility is the pressing of a foil heating meander from known heating materials. For all these solutions it applies that the heat transfer from the source (layer, foil) to the heat sink (metal plate) takes place by heat conduction, i.e. a form of heat transfer that is associated with the lowest energy losses. The material of the insulation layer 2 must have good electrically insulating properties. In addition, their adhesion to plate 1 must be good. Finally, layer 2 must not stand out from plate 1, for example due to loss of adhesion or excessive expansion in relation to plate 1. Very good adhesion is achieved if an insulation layer is formed by galvanic aluminum oxidation. The resulting Al 2 0 3 layer has an extremely good adhesion. The insulation layer 2 can also be produced by other thermal processes, for example plasma spraying, etc. The layer thickness must be chosen so that it has sufficient adhesion to the plate 1 in order to guarantee long-term stability of this connection. As a rule, that is
Dehnung einer dünnen Schicht wesentlich grösser als die des Bulkmaterials. Trotzdem sind der Schichtdicke Grenzen gesetzt, beispielsweise weil die Haftung der Schichten mit ausgeprägtem Eigenleben mit der Zeit geschwächt werden und sogar völlig verloren gehen kann.Elongation of a thin layer is much greater than that of the bulk material. Nevertheless, there are limits to the layer thickness, for example because the adhesion of the layers with a distinct life of their own can weaken over time and can even be completely lost.
Die Isolationsschicht 2 muss eine ausreichende Spannungsfestigkeit haben. Bei Betriebsspannungen von 230 bzw. 400 V und bei Betriebstemperatur der Platte 1 von ca. 230°C muss die Schicht für die Dauer von 1 Minute eine Spannungsfestigkeit von 1250 V aufweisen.The insulation layer 2 must have a sufficient dielectric strength. At operating voltages of 230 or 400 V and at operating temperature of plate 1 of approx. 230 ° C, the layer must have a dielectric strength of 1250 V for 1 minute.
Neben guten elektroisolierenden Eigenschaften muss die Schicht 2 zudem auch ein guter Wärmeleiter sein, damit die in der Heizschicht 3 entstandene Wärme durch die Isolationsschicht 2 hindurch zur Platte 1 gelangen kann. Vorzugsweise soll der Wärmeleitkoeffizient der Schicht 2 grösser als 3 W/mK sein. Dadurch kann bei einer angenommenen Schichtdicke von 5=μm eine Heizflächenbelastung von bis zu 10 W/cm2 problemlos bewältigt werden. Zur Verringerung der Wärmeverluste ist eine Thermoisolation 4 vorteilhaft. Die Betriebstemperatur der Kochplatte wird auf maximal 230 bis 250°C begrenzt. Höhere Temperaturen sind fürs Kochen und Braten nicht erforderlich, weil zum einen mit gutem Kochgeschirr die Wärme besser genutzt wird und zum anderen die Kochplatte ein hervorragendes Reaktionsverhalten besitzt. Dies lässt sich durch ein Zahlenbeispiel belegen: Bei einer mittleren Kochplatte mit dem Durchmesser von 180 mm, die mit 2000 W beheizt wird, entsteht bei Ankochen von Wasser eine maximale Plattentemperatur von unter 120°C. Demzufolge wird beim Kochen keine hohe Plattentemperatur benötigt. Lediglich für das Braten werden Plattentemperaturen auf einem höheren Niveau verlangt. Das Reaktionsverhalten wird aus einer weiteren Zahlenangabe ersichtlich: Der Temperaturgradient in der Platte liegt bei Leerlauf der Platte, also ohne Anwesenheit des Topfes bei nahezu 10°K/s. Eine negative Temperaturänderung der Platte von nur 1°K wird innerhalb einer Sekunde ausgeglichen bzw. nachgespeist. Eine solche Reaktionsgeschwindigkeit ist von einer konventionellen Kochheizung nicht annähernd bekannt.In addition to good electro-insulating properties, the layer 2 must also be a good heat conductor so that the heat generated in the heating layer 3 can reach the plate 1 through the insulation layer 2. The thermal conductivity coefficient of layer 2 should preferably be greater than 3 W / mK. This means that with an assumed layer thickness of 5 = μm, a heating surface load of up to 10 W / cm 2 can be handled without any problems. A thermal insulation 4 is advantageous for reducing the heat losses. The operating temperature of the hotplate is limited to a maximum of 230 to 250 ° C. Higher temperatures are not necessary for cooking and roasting because, on the one hand, the heat is better used with good cookware and, on the other hand, the hotplate has an excellent response behavior. This can be demonstrated by a numerical example: With a medium hot plate with a diameter of 180 mm, which is heated with 2000 W, a maximum plate temperature of less than 120 ° C arises when water is boiled. As a result, a high plate temperature is not required when cooking. Only for frying are plate temperatures at a higher level required. The reaction behavior can be seen from a further figure: the temperature gradient in the plate is at almost 10 ° K / s when the plate is idling, i.e. without the presence of the pot. A negative temperature change of the plate of only 1 ° K is compensated for or replenished within one second. Such a reaction speed is not known from conventional cooking heating.
Die zuvor beschriebenen Eigenschaften gehen die auf hervorragenden thermischen Eigenschaften der Heizplatte zurück. Sie beziehen sich auf das Plattenmaterial Aluminium. Aluminium besitzt einen sehr hohen Wärmeein- dringungskoeffizienten b(grösser als 20000 Wsl/2/Km2) und kann somit geringste Temperaturänderungen sozusagen spüren. Diese Eigenschaft ist einerseits willkommen, andererseits werden dafür Temperatursensoren mit sehr kurzer Ansprechzeit benötigt. Ein gewöhnlicher Pt 100 beispielsweise kann hierfür nicht zum Einsatz kommen, weil er zu langsam ist. Deshalb ist die Kochplatte mit vollelektronischer, lei- stungsgeführter Temperaturregelung betrieben. Als Temperaturfühler dienen an der Kochplatte angebrachte dünne Widerstandsschichten aus Nickel, Titan oder anderen ge- eigneten Materialien. Die Verwendung von schnell reagierenden Thermolementen und speziellen Thermofühlern ist ebenfalls denkbar. Da der Temperaturunterschied zwischen der Unterseite der Kochplatte und der Innenseite des Topfbodens nur einige °K beträgt, kann mit diesen Fühlern auch leicht die aktuelle Temperatur des Topfinhalts ermittelt werden.The properties described above are due to the excellent thermal properties of the heating plate. They refer to the aluminum sheet material. Aluminum has a very high heat penetration coefficient b (greater than 20,000 Wsl / 2 / Km2) and can therefore sense the slightest changes in temperature. This property is welcome on the one hand, on the other hand temperature sensors with a very short response time are required. An ordinary Pt 100, for example, cannot be used for this because it is too slow. That is why the hotplate is operated with fully electronic, power-controlled temperature control. Thin resistance layers made of nickel, titanium or other suitable materials are used as temperature sensors on the hotplate. The use of fast reacting thermocouples and special thermocouples is also conceivable. Because the temperature difference between the bottom of the hotplate and the inside of the bottom of the pot is only a few ° K, these sensors can also easily determine the current temperature of the pot contents.
Eine wichtige Forderung, die eine Kochplatte zu erfüllen hat, ist die Gewährleistung ihrer ständigen Ebenheit. Um diese Forderung erfüllen zu können, muss die geometrische Auslegung entsprechenden mechanischen Belastungen angepasst werden. Dabei wird angestrebt, eine minimale Plattendicke zu wählen, um die Temperaturunterschiede in axialer Rich- tung (Plattenhöhe) gering zu halten. Werden diese zu gross, kann es zu Deformationen der Platte (Wölbung) kommen. Diesem Problem kann man durch geeignete, flächenoptimierte Heizflächenbelastung abhelfen. Bei Verwendung von Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitenden Material, wie Kupfer und seine Legierungen, beträgt bei einer Anschlussleistung von 2000 W und den oben beschriebenen geometrischen Abmessungen der Platte der Temperaturunterschied über der Plattendicke weniger als 1,5 °K. Die dadurch hervorgerufene thermoinduzierte Biegespannung, welche der sogenannte Bimetall-Effekt hervorruft, ist so gering, dass keine nennenswerte Wölbung der Platte entstehen kann.An important requirement that a hotplate has to fulfill is to ensure its constant evenness. In order to be able to meet this requirement, the geometric design must be adapted to the corresponding mechanical loads. The aim is to choose a minimum plate thickness in order to keep the temperature differences in the axial direction (plate height) low. If these become too large, the plate may deform (bulge). This problem can be remedied by suitable, surface-optimized heating surface loading. When using aluminum or another good heat-conducting material, such as copper and its alloys, the temperature difference across the plate thickness is less than 1.5 ° K with a connected load of 2000 W and the geometric dimensions of the plate described above. The resulting thermo-induced bending stress, which causes the so-called bimetal effect, is so low that no significant curvature of the plate can occur.
Es sind auch konstruktive Lösungen bei Kochgeschirren bekannt, die es erlauben, ebene Topfböden zu bauen. Solche Lösungen sind bereits erfolgreich getestet und in absehbarer Zeit auf dem Markt verfügbar. Sie haben im Gegensatz zu heutigen metallischen Bodenkonstruktionen keinen Bodeneinzug und gewährleisten dadurch einen sehr grossen Kontakt zur Heizplatte, d.h. sie übertragen die Wärme optimal. Ebene, mit dem Topfkörper nicht fest verbundene Tόpfboden- platten können vorzugsweise aus High-Tech-Keramik, Aluminium oder gut wärmeleitenden Aluminiumlegierungen, Buntmetallen oder ihren gut wärmeleitenden Legierungen sein. Solche Töpfe verursachen keine hohe Arbeitstemperatur der Heizplatte und können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu optimalen Resultaten führen. Ausserdem sind solche Kochsysteme in ihrem Anschaffungspreis wesentlich niedriger, als es bei bisher bekannten Kochsystemen der Fall ist. Da dem Ausdehnungskoeffizienten der Heizplatte keine nennenswerte Bedeutung mehr zugeschrieben werden muss, kann für die Heizplatte jedes metallische oder nichtmetallische Material verwendet werden, unter der Voraussetzung, dass es gut wärmeleitend ist. Ob es dabei gleichzeitig auch andere gute physikalische Eigenschaften besitzt, ist sekundär, da es jederzeit möglich ist, die gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise Härte, Farbe etc. mit Zusatzbehandlungen zu erzielen. Grauguss und andere Eisenlegierungen, sofern sie gut wärmeleitend sind, können auch eingesetzt werden.There are also known constructive solutions for cookware that allow flat pot bases to be built. Such solutions have already been successfully tested and will be available on the market in the foreseeable future. In contrast to today's metallic floor constructions, they do not have a floor indentation and thus ensure very great contact with the heating plate, ie they transfer the heat optimally. Level potty plates that are not firmly connected to the pot body can preferably be made of high-tech ceramic, aluminum or aluminum alloys with good heat conductivity, non-ferrous metals or their alloys with good heat conductivity. Such pots do not cause a high working temperature of the heating plate and can lead to optimal results in connection with the present invention. In addition, the cost of such cooking systems is significantly lower than is the case with previously known cooking systems. Since the expansion coefficient of the heating plate no longer has to be given any significant significance, any metallic or non-metallic material can be used for the heating plate, provided that it is a good conductor of heat. Whether it also has other good physical properties at the same time is secondary, since it is possible at any time to achieve the desired properties, such as hardness, color, etc. with additional treatments. Gray cast iron and other iron alloys, provided they are good heat conductors, can also be used.
Man erkennt leicht, dass die vorgeschlagene Heizplatte als Kochplatte, vorzugsweise in Verbindung mit einem neuen Kochgeschirr, vorgesehen wird. Es ist bewiesen worden, dass die Arbeitstemperaturen, d.h. die Kochplattentemperaturen, bei optimal aufeinander abgestimmten Kochsystemen sehr niedrig gehalten werden können, obwohl es zunächst scheint, dass besonders beim Braten hohe Temperaturen von weit über 250°C, in der Regel über 350°C erforderlich sind. Es trifft aber nicht zu, dass diese Temperaturen benötigt werden. Es besteht die Tendenz, eine Bratpfanne so weit aufzuheizen, dass diese dank hohem Temperaturniveau, ausreichende Wärmekapazität bekommt, um nicht zu kalt zu werden, wenn die Nahrung, beispielsweise Fleisch oder Fisch, eingelegt wird. Man darf nicht ausser Acht lassen, dass beim Einlegen eines grösseren Fleischstücks in eine Pfanne, die Pfannenbzw, die Öltemperatur sich unterhalb des Fleisches von 300°C innerhalb weniger Sekunden auf rund 70°C abkühlt. In der Regel dauert es aber mehr als 30 Sekunden bis dieIt is easy to see that the proposed hot plate is provided as a hot plate, preferably in connection with a new cookware. It has been proven that working temperatures, i.e. the hotplate temperatures can be kept very low with optimally coordinated cooking systems, although it initially appears that especially when roasting high temperatures of well over 250 ° C, usually over 350 ° C are required. However, it is not true that these temperatures are required. There is a tendency to heat a frying pan to such an extent that, thanks to the high temperature level, it has sufficient heat capacity so that it does not get too cold when the food, for example meat or fish, is inserted. One should not forget that when a large piece of meat is placed in a pan, the pan or the oil temperature below the meat cools from 300 ° C to around 70 ° C within a few seconds. As a rule, however, it takes more than 30 seconds for the
Plattenheizung (beispielsweise die Strahlenheizung eines Glaskeramikfeldes) reagiert und mit erneuter Beheizung anfängt. Diese Reaktionszeit ist aber viel zu lang, weil dem Fleisch viel Fleischsaft verlorengeht. Hier erkennt man, wie wichtig die Reaktionszeit eines Kochsystems ist. Nicht umsonst lieben Köchinnen und Köche den Gasherd. Die hier vorgeschlagene Heizplatte gleicht in Verbindung mit dem geeigneten Kochgeschirr dem Reaktionsverhalten eines Gasherds.Plate heating (for example the radiant heating of a glass ceramic field) reacts and starts heating again. However, this reaction time is far too long because a lot of meat juice is lost to the meat. Here you can see how important the reaction time of a cooking system is. It is not for nothing that cooks love the gas stove. The heating plate proposed here, combined with the suitable cookware, is similar to the reaction behavior of a gas stove.
Fig. 3 stellt eine Version der Kochplatte dar, bei der eine funktionelle Trennung zwischen der die Wärme an das Kochgeschirr abgebenden Platte 9 und der mit der Widerstandsschicht 3 versehenen Platte 1 vorgenommen ist. Dort wo Spannungsfestigkeit der Isolationsschicht 2 sehr gross sein muss und diese nicht durch die eigentliche Schicht bzw. durch Schichtmaterial und -dicke gegeben wird, ist diese Version nützlich. Zwischen den beiden Platten 1 und 9 ist eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Kompensationsmedium 7 angeordnet. Vorzugsweise können als Kompensa- tionsmedium Wärmeleitpasten (WLP) mit isolierenden Eigenschaften verwendet werden. Sie sind in der Regel mit gut wärmeleitenden keramischen Füllungen versehen,, welche einen3 shows a version of the hotplate in which there is a functional separation between the plate 9 which emits the heat to the cookware and the plate 1 provided with the resistance layer 3. This version is useful where the dielectric strength of the insulation layer 2 has to be very high and this is not given by the actual layer or by layer material and thickness. A layer of an electrically insulating compensation medium 7 is arranged between the two plates 1 and 9. Thermally conductive pastes (WLP) with insulating properties can preferably be used as the compensation medium. They are usually provided with good thermal conductive ceramic fillings, which one
Isolationswiderstand von mehr als 1014 Ω aufweisen. Aus energetischer Sicht ist diese Lösung der in Fig. 1 gezeig- ten etwas unterlegen, da die wärmeabgebende Platte 9 immerhin eine zusätzliche Masse besitzt. Dieser Unterschied kann aber gering gehalten werden, da jetzt die Dicke der Platte 1 wesentlich verringert werden kann. In der Regel reicht eine Dicke von bis zu 2 mm aus.Insulation resistance of more than 1014 Ω. From an energetic point of view, this solution is somewhat inferior to that shown in FIG. 1, since the heat-emitting plate 9 has an additional mass. This difference can be kept small, however, since the thickness of the plate 1 can now be reduced significantly. As a rule, a thickness of up to 2 mm is sufficient.
Diese Version erlaubt auch, aus einer Anzahl zusätzlicher Materialien auszuwählen. So beispielsweise können vorzugsweise Materialien mit ganz spezifischen Eigenschaften genommen werden, ohne dass sie dabei gut wärmeleitend sein müssen. Ein solches Material kann beispielsweise Grauguss, Edelstahl, gehärtete Buntmetalllegierungen, elektrisch leitende High-Tech-Keramik, wie flüssigphasengesintertes Siliziumkarbid, sein.This version also allows you to choose from a number of additional materials. For example, materials with very specific properties can preferably be used without having to be good heat conductors. Such a material can be, for example, gray cast iron, stainless steel, hardened non-ferrous metal alloys, electrically conductive high-tech ceramics, such as liquid phase sintered silicon carbide.
Alles bisher offenbarte bezog sich auf eine einfache Geometrie, nämlich auf eine Plattenform und die Anwendung dieser als eine Kochplatte. Grundsätzlich können aber alle Eigenschaften dieses Heizelements genauso auf eine andere Geometrie angewendet werden. Eine aus der Praxis nicht wegzudenkende Form ist beispielsweise das Rohr. Das gleiche gilt auch für die restlichen, hier bisher noch nicht erwähnten Plattenformen. Die geometrische Gestaltung des Widerstandsschichtträgers 1 spielt in anwendungsspezifischen Fällen sicherlich eine entscheidende Rolle, in grundsätzlichen Betrachtungen aber nicht. Insofern wird hier auf die Unterschiede, wie beispielsweise Auftragung der Widerstandsschicht 3 auf die Innen- oder auf die Aussenoberflache des Rohrs, nicht weiter eingegangen. Was vorstehend über die Funktion und Eigenschaft der Isolationsschicht 2 gesagt wurde, trifft auch für die rohr- förmige Geometrie zu.Everything previously disclosed related to a simple geometry, namely a plate shape and the use of this as a hotplate. Basically, however, all properties of this heating element can also be applied to another Geometry can be applied. One form that is indispensable in practice is the tube. The same applies to the remaining plate shapes, which have not yet been mentioned here. The geometrical design of the resistance layer carrier 1 certainly plays a decisive role in application-specific cases, but not in fundamental considerations. In this respect, the differences, such as, for example, application of the resistance layer 3 to the inside or outside surface of the tube, are not discussed further here. What has been said above about the function and property of the insulation layer 2 also applies to the tubular geometry.
Fig.4 stellt ein Heizrohr dar, welches in Analogie zurFig.4 represents a heating tube, which is analogous to
Version in Fig. 1 dargestellt wurde, steht. Es kann daher auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden.Version shown in Fig. 1 is available. A detailed description can therefore be dispensed with.
Eine weitere rohrförmige Lösung, die in Analogie zur Version in Fig. 3 steht, ist in Fig. 5 dargestellt. A further tubular solution, which is analogous to the version in FIG. 3, is shown in FIG. 5.

Claims

Patentansprüche claims
1. Hochleistungsheizelement mit einer flächigen Wärmequelle und einer die Wärme nach aussen abgebenden1. High-performance heating element with a flat heat source and one that emits the heat to the outside
Oberfläche, insbesondere zur Verwendung als Kochplatte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus wärmeleitendem Material (1) mit einer Elektroisolationsschicht (2) versehen ist, auf die als Wärmequelle eine Widerstands- schicht (3) aufgebracht ist.Surface, in particular for use as a hotplate, characterized in that a layer of heat-conducting material (1) is provided with an electrical insulation layer (2) to which a resistance layer (3) is applied as a heat source.
2. Hochleistungsheizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Buntmetall, intermetal- lische Phasen, wie Aluminiumtitan, Molybdändisilizid, Eisendisilizid, Eisen, Eisenlegierungen, Stahl und Stahllegierungen besteht. 2. High-performance heating element according to claim 1, characterized in that the heat-conducting material consists of aluminum, aluminum alloys, non-ferrous metal, intermetallic phases such as aluminum titanium, molybdenum disilicide, iron disilicide, iron, iron alloys, steel and steel alloys.
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