DE2743880C3

DE2743880C3 - Heizeinrichtung mit einem optimierten Heizelement aus Kaltleiter-Material

Info

Publication number: DE2743880C3
Application number: DE2743880A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Hans 8013 Haar Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1981-05-14
Also published as: AT366220B; US4177375A; IT7828037A0; FR2404983A1; FR2404983B1; ATA698778A; DE2743880B2; DE2743880A1; IT1099178B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizeinrichtung mit einem scheibenförmigen Heizelement aus Kaltleiter-Material, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher angegeben ist.

In Druckschriften des Standes der Technik werden seit ca. zwei Jahrzehnten Heizeinrichtungen beschrieben, die ein u. a. scheibenförmiges Heizelement aus Kaltleiter-Material haben. Bei Kaltleiter-Material handelt es sich um eine Keramik auf der Basis des Bariumtitanats, die elektrische Leitfähigkeit mit einem nahezu sprunghaften Anstieg des spezifischen Widerstands bei der sogenannten Curie-Temperatur hat. Dieses sprunghafte Verhalten des Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) war der Anlaß für zahlreiche Vorschläge, mit Kaltleiter-Material Heizeinrichtungen zu bauen, die materialspezifisch und ohne die Verwendung zusätzlicher galvanischer Regelkontakte eine Abschalt-Regeleigenschaft haben. Unter Abschalt-Regelcigenschatt ist ein Verhalten zu verstehen, bei dem der elektrische Widerstandsanstieg des Kaltleiter-Materials bei der Curie-Temperatur dazu führt, daß im Falle einer Erwärmung des Kaltleiter-Materials auf Temperaturwerte höher als die Curie-Temperatur der durch das Material fließende elektrische Strom in seiner Stärke stark zurückgeht. Dies kommt einer Verminderung der im Kaltleiter-Material erzeugten Joule'schen Wärme U · I und damit einem Rückgang der abgebbaren Heizleistung gleich. Weitere Einzelheiten neueren Datums hierzu sind aus »Elektro-Anzeiger«, Bd. 29 (1976), Seiten 589—591 bekannt und es ist dort in Seite 591 speziell auf die Verwendung des Kaltleiters als selbstregelndes Heizelement eingegan-ϊ gen. Diese dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde gelegte Veröffentlichung enthält den Hinweis, daß bei einem Heizkaltleiter mit einer Anfangsleistung von rund 2000 Watt bei 135° C die Heizleistung auf 30 Watt zurückgeht Mit einer solchen Kaltleiter-Heizung ließe sich jedoch Wasser wenigstens nicht innerhalb einer vernünftig kurzen Zeitspanne zum Kochen bringen und insbesondere wäre damit in der Praxis keine Beheizung einer Kaffeemaschine oder eines Eierkochers zu realisieren, bei denen relativ hohe Energieleistung bei hoher Temperatur von 100⁰C bereitzustellen ist

Über die vorgenannte Druckschrift hinaus gibt es einen außerordentlich umfangreichen Stand der Technik aus vor allem älteren Druckschriften, die Konstruktionsbeispiele und Ausführungsvorschläge für einschlägige Heizungen mit Kaltleiter-Material enthalten, die jedoch ersichtlich selbst in der langen verstrichenen Zwischenzeit keine praktische Realisierung gefunden haben. So sind z. B. aus der DE-OS 14 65 439 aus dem Jahre 1964 solche Kaltleiter-Heizungen bekannt, bei denen der Kaltleiter-Körper in der Stromdurchflußrichtung eine Abmessung hat, die wenigstens doppelt so groß wie die Wanddicke desselben ist. Verglichen mit der noch nachfolgend zu erörternden Erfindung würde dies bedeuten, daß das bei der Erfindung vorgesehene scheibenförmige Heizelement wenigstens doppelt so dick wie sein Durchmesser zu machen wäre, d. h. keine Scheibe mehr wäre.

Das DE-GM 19 62 119 von 1966 gibt - abgesehen von anderen Formen des Kaltleiter-Körpers — auch ein nicht näher dimensioniertes Plättchen an, das, soweit ersichtlich, wie bei der vorangehenden Druckschrift in Längsrichtung stromdurchflossen sein soll. Die Curie-Temperatur soll dort ebenfalls nur wenige Grade über der Abschalttemperatur der zu erhitzenden Flüssigkeit liegen.

Aus der GB-PS 11 85 082 sind zwei Vorschläge bekannt, nämlich für eine selbstgeregelte Heizung einer Kaffeemaschine eine Serienschaltung eines Kaltleiter-Heizelementes und eines konventionellen drahtgewikkelten Heizkörpers zu verwenden. Eine Heizung mit einem Kaltleiter-Element allein ist hier als nicht ausreichend zu entnehmen. Der weitere Vorschlag weist daraufhin, mehrere Kaltleiter-Scheiben mit verschiedenen Curie-Temperaturen zur Erzielung abgestufter Abschaltwirkung zu verwenden.

Eine Weiterentwicklung der oben erwähnten DE-OS 14 65 439 enthält die DE-OS 23 53 465, in der der zuvor für die Heizung allein vorgesehene Kaltleiter-Körper hier in der wassererhitzenden u. -verdampfenden Einrichtung der Kaffeemaschine nur noch als Regler benutzt wird und die eigentliche Heizleistung wie bei der vorangehend erörterten Druckschrift mittels einer konventionellen Heizwicklung erzeugt wird. Lediglich

bo für das Warmhalten des bereits fertig zubereiteten Kaffees ist dort in Fig. 7 die alleinige Verwendung eines Kaltleiter-Plättchens als Heizung vorgesehen.

Etwas abseits von der noch nachfolgend anzugebenden Aufgabenstellung zur vorliegenden Erfindung liegt

b^r' der aus der DE-PS 16 90 621 bekannte Vorschlag, ein Lötkolben mit einem Kaltleiter-Plättchen zu erhitzen. Es ist dort ein Heizplättchen mit 1 mm Stärke aus einem Kaltleiter-Material mit einer Curie-Temperatur von

340° C vorgeschlagen, mit dem eine Arbeitstemperatur des Plättchens mit 350 bis 360⁰C bei Ruhebetrieb, d. h. ohne abgegebene Lötleistung, erreicht wird. Dieses Kaltleiter-Plättchen befindet sich dort mittig zwischen zwei Wänden aus beispielsweise Kupfer, die einseitig in die Lötspitze übergehen. Die Besonderheit des dort vorgeschlagenen Lötkolbens gegenüber konventionellen Lötkolben, d. h. die dort gelöste Aufgabenstellung, ist, einen solchen Lötkolben zu schaffen, bei dem die Spitze des Lötkolbens eine vom Ausmaß der Wärmeableitung durch den Lötvorgang unabhängig konstant hohe Temperatur hat Dies soll dort dadurch bewirkt werden, daß die Wärmeableitung aus dem Kaltleiter-Plättchen über die Kupferwände derart ist, daß bei geringer Wärmeableitung nur ein geringer Anteil des Kaltleiter-Plättchens mit entsprechend niedrigerer Temperatur Heizleistung abgibt und der Restanteil des Kpltleiter-Körpers ohne Wärmeabgabe auf der entsprechend höheren Abschalttemperatur bleibt. O. h., daß bei dieser Kaltleiter-Heizung absichtlich und notwendigerweise eine inhomogene Wärmeableitung über die Fläche des Kaltleiter-Plättchens hinweg vorgesehen ist, und zwar unter Inkaufnahme lateraler inhomogener Temperaturverteilung im Kaltleiter-Plättchen. Wie im Zusammenhang mit der noch nachfolgend zu erörternden Erfindung jedoch erkannt worden ist, bilden schon ungewollte Temperaturinhomogenitäten im Kaltleiter-Plättchen bei entsprechend der Aufgabenstellung der Erfindung hoher Betriebsabgabe-Heizleistung eine große Gefahr für zumindest nach einiger Betriebsdauer eintretendem Zerplatzen des Plättchens. Erst recht muß dies für Leistungs-Heizeinrichtungen gelten, in denen nach dem Prinzip der DE-PS 16 90 621 konstruktiv beabsichtigt Temperaturinhomogenitäten erzwungen werden.

Trotz der zahlreichen, alles andere als spekulativen Vorschläge und Überlegungen der Fachwelt und obwohl geeignetes Material ebenfalls mindestens seit mehr als einem Jahrzehnt zur Verfügung stand sowie trotz andauernden Bestehens eines Bedürfnisses nach Heizeinrichtungen, dje eine absolut sichere Abschalt-Automatik gegen Überhitzung haben, sind keine tatsächlich realisierten Vorschläge für Heizeinrichtungen mit größerer spezifischer Heizleistung von mehr als 50 Watt pro cm² des Querschnitts einer Kaltleiter-Scheibe bekanntgeworden.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diejenigen technischen Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe insbesondere für das Erhitzen und Verkochen von Wasser geeignete Heizeinrichtungen derartiger Leistung mit Kaltleiter-Material, die wirtschaftlich relevante Lebensdauer haben, zu realisieren sind und dazu optimal zu bemessen sind.

Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Heizeinrichtung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

In rückschauender Betrachtung, d. h. mit der Kenntnis der Erfindung, ist es scheinbar überraschend, daß diese erfindungsgemäße Lösung nicht schon viel früher angegeben worden ist. Macht man sich aber ein genaues Bild von den der Erfindung tatsächlich zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhängen, kommt man zwangsläufig zu der Erkenntnis, daß mit der Erfindung ein sprunghafter Fortschritt auf dem Gebiet der betriebssicheren Haushalts-Geräte erreicht worden ist. Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere Haushalts-Kleingeräte wie Wasserkochtöpfe, Tauchsieder, Kaffeemaschinen, Eierkocher u. dergl. Alle diese Geräte des täglichen Gebrauchs können Ursache großer Brandschäden werden, wenn sie nach dem Verkochen des Wassers wegen fehlender Wärmeabnahme sich auf Temperaturen erhitzen, die nicht nur das Gerät zerstören, sondern auch Brandursache sein können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind mit der Erfindung eine Anzahl von Einzelproblemen zu bewältigen, die in gegenseitigem Zusammenhang miteinander stehen. Zum einen soll eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung auf möglichst engem Raum bei

is Anschluß an Netzspannung ausreichend hohe Heizleistung bereitstellen, nämlich damit ein brauchbarer kurzzeitiger Heizbetrieb ermöglicht ist. Dem läuft geradezu die Forderung zuwider, daß nach Verkochen der letzten Flüssigkeit, insbesondere Wassers, keine derartige Heizleistung weiterhin erzeugt wird, die zu Temperaturen mit Brandauslösung führen könnte. Das erfindungsgemäße Gerät muß also eine optimale Ausnutzung der materialspezifischen Regeleigenschaft des Kaltleiters haben. Dazu gehört aber wiederum auch, daß möglichst optimale Bemessungen einerseits der geometrischen Abmessungen der Kaltleiterscheibe und andererseits der elektrischen Eigenschaften des Materials sowie dazu passende Materialauswahl erreicht werden.

Der scheinbar plausibel erscheinende, gemäß einem Merkmal der Erfindung angegebene Bereich der Dickenabmessungen der Scheibe ist abgestimmt auf den angegebenen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstandes des Kaltleiter-Materials — gemessen bei der Curie-Temperatur — und zwar derart, daß für optimale Bemessung bei größeren Dickenabmessungen kleinerer spezifischer Widerstand (und umgekehrt) vorzuziehen ist. Dazu muß erfindungsgemäß das Kaltleiter-Material jedoch eine Curie-Temperatur haben, deren Wert wenigstens 50 K höher als die vorgegebene Abschalt-Temperatur ist. Das Minimum der Curie-Temperatur beträgt damit bei Geräten für das Heizen und Verdampfen von Wasser — z. B. bei Kaffeemaschinen und Eierkochern, bei denen die Verdampfung gewollterweise erfolgt, und bei Wasserkochtöpfen, bei denen das vollständige Verdampfen des Wassers der Beginn des Gefahrenbereiches ist — (normale Luftdruckverhältnisse vorausgesetzt) wenigstens 150⁰C. Für diesen Anwendungsfall sind Curie-

5fl Temperaturen zwischen 200 und 240° C zu bevorzugen. Die obere Grenze der Curie-Temperatur ist vor allem durch die jeweilige Brandgefahr gegeben.

Die erfindungsgemäße Abstimmung von Dickenabmessung, spezifischem elektrischen Widerstand und Höhe der Curie-Temperatur führt dazu, einerseits eine wie gefordert hohe spezifische Wärmeleistung von mehr als 50 Watt pro cm² zu erreichen und andererseits Gewähr dafür zu haben, daß die hohe thermomechanische Belastung des Kaltleiter-Plättchens noch nicht dessen Zerstörung bewirken kann. Der Scheibenquerschnitt ist durch die Fläche gegeben, die senkrecht zur Dickenrichtung der Scheibe ist, d. h. bei einer kreisrunden Scheibe ist dies die kreisförmige Querschnittsfläche. Z'ir Erfindung gehört aber noch die weitere Bedingung, daß die Joule'sche Heizleistung der Scheibe von beiden Scheibenoberflächen in quantitativ gleichem Maße entnommen wird. Die Gleichheit der Wärmeabnahme von beiden einander gegenüberliegenden Schei-

benoberflächen hat Vorrang vor guter aber unsymmetrischer Wärmeableitung.

Alle die erfindungsgemäßen Maßnahmen bringen hohe elektrische Heizleistung aus Kaltleiterscheiben minimal großen Volumens, und zwar bei optimalem Regelverhältnis von beispielsweise 8:1. Unter dem Regel verhältnis ι zu verstehen, daß die zuvor für das gewünschte Aufheizen erzeugte Wärmeleistung bei weiterem Temperaturanstieg über die Abschalt-Temperatur hinaus auf den achten Teil abfällt. Dies bewirkt, daß eine nur noch mäßige und vor allem gefahrlose Temperaturerhöhung über die Abschalt-Temperatur hinaus erfolgt.

Für den an den theoretischen Grundlagen der Erfindung eingehender interessierten Fachmann sei nachfolgend noch das in Fig. 1 beigefügte Kurvendiagramm erläutert, das für einen Kaltleiter mit einer Curie-Temperatur von 220⁰C aufgenommen worden ist und der sich im Wasser mit der (Abschalt-)Temperatur von 100° C befindet.

Mit a ist die typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines Kaltleiter-Materials wiedergegeben. Besonders hervorgehoben ist der Spannungswert 220 Volt. Mit b ist die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Kaltleiterscheibe mit angegebenem spezifischen Widerstand wiedergegeben. In dieser Kurve b sind bereits die Abmessungen mit einer Dicke im erfindungsgemäß angegebenen Bereich enthalten. Mit c ist die Leistungs-Spannungs-Kennlinie der zugrunde gelegten, erfindungsgemäß bemessenen Kaltleiterscheibe wiedergegeben. Optimale Verhältnisse liegen dann vor, wenn wie in der Darstellung der Fig. 1 das Maximum des Stromes bei einem Spannungswert liegt, der etwa 70% der vorgegebenen Betriebsspannung, z. B. der Netzspannung 220 Volt, beträgt.

Die F i g. 2 und 3 geben Anwendungsbeispiele der Erfindung an. F i g. 2 zeigt einen Eierkocher, der nach dem Prinzip des restlosen Verdampfens des zuvor eingefüllten Wassers arbeitet. Mit 2 ist die Scheibe aus Kaltleiter-Material bezeichnet. Sie befindet sich zwischen zwei Anteilen 11 und 12 eines zur Wärmeleitung dienenden Körpers 1, an dessen einer Oberfläche 41 die erzeugte Elektrowärme abzugeben ist. Mit 141 sind Anteile eines Behälters angedeutet, zu dem die Oberfläche 41 eine beheizte Bodenfläche ist. Mit 21 und 22 sind die nach beiden Seiten Wärme abgebenden Oberflächen der Kaltleiterscheibe 2 bezeichnet. Diese Flächen 21 und 22 haben Elektrodenbelegungen zum Anschluß der Zuführungsleitungen 211. Zwischen diesen Flächen 21 und 22 einerseits und den zur Wärme-Aufnahme in die Anteile 12 und 11 vorgesehenen Flächen 31 Lirid 32 sind *e eine Schicht 212 222 rnit elektrisch isolierender, jedoch wärmeleitender Eigenschaft vorhanden. Als Materialien hierfür sind z. B. Be-Oxid, Al-Oxid sowie auch Silikonharz geeignet. Der Flansch 13 des Anteils 11 des Körpers 1 hat gut wärmeleitende Verbindung mit der Fläche 14 des Anteils 12. Außerdem ist vorgesehen, daß zwischen den Anteilen 11 und 12 eine Schraubgewinde-Verbindung oder ein Preßsitz vorhanden ist.
Vorteilhaft ist es, zwischen den Flächen 31 und/oder

ίο 32 einerseits und der elektrisch isolierenden Schicht 212 und/oder 222 andererseits eine Schicht 412 bzw. 422 aus einem Material mit duktiler Eigenschaft vorzusehen, das einen gewissen Anlagedruck und Druckausgleich zwischen der Kaltleiterscheibe und den gegenüberliegenden Flächen 31 und 32 bewirkt. Als Material hierfür eignen sich Blei, Ski-Indium, Indium, Kadmium-Indium, Kadmium-Indium-Blei.

F i g. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des beanspruchten Kaltleiters als Heizeinrichtung eines Durchlauferhitzers, wie er z. B. in einer Kaffeemaschine Verwendung findet.

Mit 2 ist wieder die Kaltleiterscheibe mit ihren Wärme abgebenden Flächen 21 und 22 bezeichnet. Auf diesen Flächen befinden sich die Elektrodenbelegungen.

Die beim vorangehenden Beispiel mit 212 und 222 bezeichneten Schichten aus elektrisch isolierendem, jedoch gut wärmeleitendem Material sind hier mit 62 und 162 bezeichnet.

Mit 52 und 53 sind zwei Behälter des Durchlauferhit-

i'i zers 51 bezeichnet. Diese Behälter 52 und 53 haben zur Wärme-Aufnahme vorgesehene Flächen 61 und 161, mit denen sie der Kaltleiterscheibe 2 zugewandt an den elektrisch isolierenden Schichten 62 und 162 anliegen. Mit 54 und 154 sind Zulauf-Leitungen und mit 55 und 155 sind Ablauf-Leitungen für die im Durchlauferhitzer 1 zu erhitzende Flüssigkeit bezeichnet. Mit 56 ist auf Rippen hingewiesen, die zur besseren Wärmeübertragung an die in den Behältern 52 und 53 strömende Flüssigkeit dienen.

Die beiden Behälter 52 und 53 sind identisch aufgebaut und werden in gleicher Weise von der Flüssigkeit durchströmt, so daß jeder der Behälter 52,53 der Kaltleiterscheibe 2 eine gleich große Wärmemenge, und zwar von der jeweiligen Scheibenoberfläche 21

*5 bzw. 22 her entzieht.

Beide Anwendungen enthalten nicht nur eine Kaltleiterscheibe mit den beanspruchten Abmessungen, sondern auch beide beschriebenen Geräte weisen das Merkmal auf, daß praktisch quantitativ gleich große

so Wärmeabfuhr auf beiden Seiten der Kaltleiterscheibe erfolgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heizeinrichtung mit einem scheibenförmigen Heizelement aus Kaltleiter-Material mit einer Curie-Temperatur, die höher als eine Abschalt-Heiztemperatur ist, und mit auf den Scheibenflächen einander gegenüberliegend angebrachten Elektroden, wobei das Heizelement mit Netzspannung zu betreiben ist und Abschalt-Regeleigenschaft hat, insbesondere für Haushalt-Kaffeemaschinen und Eierkocher, gekennzeichnet dadurch, daß für die Betriebsabgabe einer spezifischen Wärmeleistung von mehr als 50 Watt pro cm² des Querschnitts der Scheibe (2) als hierfür optimierte Bemessungen eine Dicke der Scheibe von 0,5 bis 2 mm, ein spezifischer elektrischer Widerstand des Materials bei Curie-Temperatur und 2000 Volt/cm zwischen q_c = ι . io³ Ohm · cm und Qc = 6 · 10³ Ohm · cm und eine Curie-Temperatur ausgewählt sind, die wenigstens 5OK höher als die vorgesehene Abschalt-Temperatur ist, und dadurch, daß für dauerhafte elektrische Isolation der Scheibe (2) des Heizelementes diese in an sich bekannter Weise elektrisch isoliert (412,422) zwischen Anteilen eines Wärmeleitungs-Körpers (1,12; 52, 53) eingebaut ist und auf beiden Seiten der Scheibe flächenmäßig gleich große Wärmeableitung vorliegt.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 zum Aufheizen einer Flüssigkeit oder einer Mischung verschiedener Flüssigkeiten, gekennzeichnet dadurch, daß die Abschalt-Temperatur durch den Siedepunkt der Flüssigkeit bzw. der bei der höchsten Temperatur siedenden Komponente der Mischung bestimmt ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Abschalt-Temperatur der Siedepunkt des Wassers ist.