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Die Erfindung betrifft einen Speicherheizkörper, insbesondere zum Warmhalten von Speisen, mit einem Wärmespeicher, der einen Speicherraum mit einem Wärmespeichermedium aufweist, und mit einer elektrischen Heizeinrichtung zur Erhitzung des Wärmespeichermediums, wobei das Wärmespeichermedium bei der Erwärmung auf eine Betriebstemperatur aus einer festen Phase in eine flüssige Phase übergeht.
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Die Anwendungsmöglichkeiten des Speicherheizkörpers sind vielfältig. Der Speicherheizkörper kann beispielsweise als Warmhalteunterteil für Essgeschirr ausgebildet sein und eine Aufnahmemulde für mindestens einen Teller aufweisen. Ferner eignet sich der Speicherheizkörper als Warmhaltevorrichtung für Gastronombehälter und zum Warmhalten von Töpfen. Ferner kann der Speicherheizkörper als Warmhalteplatte und Wärmespeicherplatte genutzt werden.
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Aus
DE 711 883 A ist ein elektrisch beheizte Warmhalteplatte bekannt, an der unterseitig mit einem Abstandsblech ein elektrischer Heizkörper angeordnet ist. An der der Warmhalteplatte abgewandten Unterseite ist der Heizkörper zusätzlich mit einem gewellten Blech versehen, welches in eine schmelzende Wärmespeichermasse eintaucht.
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Aus
DE 295 07 556 U1 ist eine Auftauvorrichtung mit einer Wärmeüberträgerplatte bekannt. An der Unterseite der Wärmeüberträgerplatte sind rippenartige Vorsprünge angeordnet, welche bestimmungsgemäß in eine zuvor erwärmte Flüssigkeit eintauchen sollen.
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Ein Speicherheizkörper zum Warmhalten von Speisen mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist aus
DE 199 38 612 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist einen Innenbehälter auf, dessen Außenfläche von einer thermisch isolierenden Außenschale umgeben ist. Der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter und der Außenschale bildet einen Speicherraum für ein Wärmespeichermedium. Das Wärmespeichermedium besteht aus einem technischen Wachs auf Paraffinbasis, welches bei der Erwärmung aus einer festen Phase in eine flüssige Phase übergeht. Ferner ist in dem Speicherraum eine elektrische Heizmatte zur Erhitzung des Wärmespeichermediums vorgesehen. Bei der Aufheizung des Wärmespeichermediums kann durch Nutzung der Schmelzenthalpie eine große Energiemenge gespeichert werden. Allerdings besteht bei der Verwendung eines technischen Wachses auf Paraffinbasis die Gefahr, dass das Wachs bei einer Überhitzung vergast oder verbrennt. Zur Vermeidung einer lokalen Überhitzung ist eine aufwendige Temperaturregelung der Heizeinrichtung notwendig.
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Aus
EP 0 846 437 B1 ist ein Speisentransportbehälter mit einem austauschbaren Heizelement bekannt. Das Heizelement besteht aus einer Bodenplatte mit eingelegten PTC-Heizelementen. Die PTC-Heizelemente weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, so dass die Leistungsaufnahme der PTC-Elemente mit zunehmender Temperatur sinkt und eine Temperaturregelung nicht notwendig ist. Um eine für die Warmhaltefunktion ausreichende Energiemenge zu speichern, ist allerdings eine massive und schwere Bodenplatte notwendig. Das hohe Gewicht der Bodenplatte schränkt die Handhabung des Behälters ein.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Speicherheizkörper anzugeben, der nach einem Abschalten der elektrischen Heizung Wärme noch über einen langen Zeitraum speichert. Die Beheizung soll ohne Temperaturregelung betriebssicher arbeiten. Ferner sollen eine schnelle und gleichmäßige Aufheizung des Wärmespeichermediums und eine gute Wärmeabgabe der gespeicherten Energie sichergestellt sein.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Speicherheizkörper nach Anspruch 1.
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Zum grundsätzlichen Aufbau des Speicherheizkörpers gehören die eingangs beschriebenen Merkmale. Erfindungsgemäß umfasst der Wärmespeicher einen Wärmeaustauscher, der eine Wärmeübertragungsfläche zur Wärmeabgabe und an der Rückseite der Wärmeübertragungsfläche angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweist. Die Wärmeübertragungselemente stehen an der Rückseite der Wärmeübertragungsfläche vor und tauchen in das Wärmespeichermedium ein. Ferner weist die Heizeinrichtung mindestens ein Heizelement mit einer Kaltleitercharakteristik auf, welches an dem Wärmeaustauscher angeordnet ist.
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Das Wärmespeichermedium geht bei der Erwärmung aus einer festen Phase in eine flüssige Phase über. Mit dem Phasenübergang ist eine Volumenänderung des Wärmespeichermediums verbunden. Zur Kompensation der Volumenänderung enthält das System ein Gas, vorzugsweise Luft. Das in dem System enthaltene Gas steigt auf und sammelt sich an der Rückseite der vorzugsweise horizontalen Wärmeübertragungsfläche des Wärmeaustauschers. Ungeachtet dieser Effekte ist erfindungsgemäß eine gute Wärmeübertragung gewährleistet, da die an der Rückseite der Wärmeübertragungsfläche vorstehenden Wärmeübertragungselemente in das Wärmespeichermedium eintauchen. Bevorzugt sind Wärmeübertragungselemente, die sich durch eine große Außenfläche auszeichnen. Die Wärmeübertragungselemente können insbesondere als Rippen ausgebildet sein. Die oberseitig anschließende Wärmeübertragungsfläche bildet zweckmäßig eine Auflagefläche für das zu wärmende Gut. Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungsfläche und die rückseitig angeordneten Rippen Bestandteile eines durch im Pressverfahren oder Spritzgießen geformten einstückigen Körpers aus Metall oder Kunststoff.
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Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeaustauscher ist eine effektive Wärmeübertragung von dem Wärmespeichermedium in das zu wärmende Gut gewährleistet, wobei die Wärmeübertragung weder von einem etwaigen Luftanteil, der im Speicherraum eingeschlossen ist, noch von einer Volumenänderung des Wärmespeichermediums beim Phasenübergang aus der festen Phase in die flüssige Phase beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ermöglichen die in das Wärmespeichermedium eintauchenden Wärmeübertragungselemente eine gleichmäßige und schnelle Einleitung der von der elektrischen Heizeinrichtung erzeugten Energie in das Wärmespeichermedium, welches sich zu Beginn eines Heizvorganges noch im festen Aggregatzustand befindet. Die Aufheizung erfolgt an den rückseitig vorstehenden Wärmeübertragungselementen und damit an einer Vielzahl von Stellen innerhalb der Masse des Wärmespeichermediums. Dies ermöglicht eine effektive und gleichmäßige Aufheizung der gesamten Masse des Wärmespeichermediums.
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Zur elektrischen Beheizung ist zumindest ein Heizelement mit einer Kaltleitercharakteristik vorgesehen, welches am Wärmeaustauscher befestigt ist und mit diesem in einem flächigen Kontakt steht. Das Heizelement ist selbstregelnd, so dass eine lokale Überhitzung des Wärmespeichermediums nicht möglich ist. Ein Heizelement mit einer Kaltleitercharakteristik wie beispielsweise ein PTC-Heizelement leitet bei tiefen Temperaturen den Strom besser als bei hohen Temperaturen. Der elektrische Widerstand vergrößert sich progressiv mit steigender Temperatur. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre wird das Heizelement so ausgelegt, dass die Maximaltemperatur an der Oberfläche des Heizelementes einerseits größer ist als die Schmelztemperatur des Wärmespeichermediums und andererseits kleiner ist als eine kritische Temperatur, bei der das Wärmespeichermedium thermisch geschädigt wird und Vergasungs- und/oder Verbrennungsprozesse einsetzen können. Als selbstregelndes Heizelement eignen sich insbesondere PTC-Widerstände auf Keramikbasis, beispielsweise Bariumtitanat, die einen nicht linearen Widerstandsverlauf aufweisen und deren Widerstandscharakteristik so ist, dass bei einer Grenztemperatur der Widerstand stark ansteigt und gegen unendlich tendiert. Als Wärmespeichermedium eignen sich Stoffe zur Wärmespeicherung, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer spezifischen Wärmekapazität speichern können. Die Stoffe werden auch als „Phase Changing Materials“ (PCM) bezeichnet. Das Wärmespeichermedium kann insbesondere aus einem technischen Wachs, vorzugsweise einem Paraffin, bestehen. Die in Frage kommenden technischen Wachse haben üblicherweise eine Schmelztemperatur zwischen 80°C und 120°C. Für die erfindungsgemäße Anwendung geeignete PTC-Heizelemente haben eine elektrische Widerstandscharakteristik, die eine Erwärmung des Heizelementes auf eine Temperatur oberhalb des Flammpunktes des Wärmespeichermediums nicht zulässt.
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Das Heizelement kann erfindungsgemäß an einer beliebigen Stelle des Wärmeaustauschers befestigt sein. Vorzugsweise taucht das Heizelement in das Wärmespeichermedium ein und ist an einer dem Wärmespeichermedium zugewandten Innenfläche des Wärmeaustauschers befestigt. Diese Anordnung ermöglicht eine verlustarme Übertragung der Heizwärme auf das Wärmespeichermedium. Ferner ist das Heizelement geschützt angeordnet und kann beim Gebrauch des Speicherheizkörpers weder mechanisch noch bei einer Reinigung des Behälters beschädigt werden. Entsprechendes gilt auch für die elektrischen Kontaktierungen des Heizelementes.
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Das Heizelement kann mit einer Schutzkleinspannung, d. h. einer Spannung von weniger als 60 Volt, betrieben werden. Da die Heizeinrichtung mit einer Schutzkleinspannung betreibbar ist, können die elektrischen Kontakte als offene Kontakte ausgebildet sein.
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Der Speicherheizkörper ist ohne äußere Isolierung funktionsfähig und kann für zahlreiche Anwendungen ohne äußere Isolierung eingesetzt werden. Allerdings kann der Speicherheizkörper auch mit Isolierungen kombiniert werden, die den Speicherraum ganz oder teilweise umschließen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass der Speicherraum des Wärmespeichers von einer Schale zur Aufnahme des Wärmespeichermediums und einer aus dem Wärmeaustauscher bestehenden Abdeckung begrenzt ist. Die Schale besteht vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff.
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Der Speicherraum kann von einem Isolierkörper umgeben sein. Eine unter fertigungs- und montagetechnischen Gesichtspunkten vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Speicherraum als separater zweiteiliger Körper ausgebildet ist und mit dem Isolierkörper verbunden ist. Der aus dem Speicherraum und dem Wärmespeichermedium bestehende Wärmespeicher kann als Einheit beispielsweise in Standardabmessungen vorgefertigt und mit beliebigen Formen und Ausgestaltungen des Isolierkörpers kombiniert werden. Das vereinfacht in erheblichem Maße die Lagerhaltung und den Fertigungsprozess.
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An der Außenseite des Isolierkörpers sind elektrische Kontaktflächen zur Stromversorgung der Heizelemente angeordnet. Sie können insbesondere am Umfang des Isolierkörpers angeordnet sein und beispielsweise aus mehreren, jeweils paarweise, angeordneten Kontaktstiften bestehen. Auch am Umfang des Isolierkörpers ringförmig angeordnete elektrische Leiter können als Kontaktelemente bzw. Kontaktflächen verwendet werden.
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Der Isolierkörper ist an die Anwendung der Vorrichtung angepasst und weist beispielsweise eine Außenschale mit einem Boden und einem hochgezogenen sowie nach innen umgebogenen Kragen auf, der mit dem Speicherraum des Wärmespeichers verbunden werden kann. Der Kragen und der Wärmespeicher bilden beispielsweise eine muldenförmige Vertiefung für Essgeschirr bzw. mindestens einen Teller. Der Innenraum des Isolierkörpers kann mit einem Isoliermaterial ausgeschäumt sein. Durch das Ausschäumen seines Innenraumes erhält der Isolierkörper eine höhere Formstabilität.
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Sofern der Speicherheizkörper als Warmhalteunterteil für Essgeschirr konzipiert ist, weist der Isolierkörper des Behälters vorzugsweise einen Rand zum Aufsetzen einer Cloche auf.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
- 1 einen Längsschnitt durch einen Speicherheizkörper zum Warmhalten von Speisen,
- 2 einen Ausschnitt aus 1 in einer gegenüber 1 vergrößerten Darstellung,
- 3 die Seitenansicht eines Wärmeaustauschers des in 1 dargestellten Speicherheizkörpers,
- 4 die Unteransicht des in 3 dargestellten Wärmeaustauschers.
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Zum grundsätzlichen Aufbau des in den 1 und 2 dargestellten Speicherheizkörpers gehören ein Wärmespeicher 2, der einen Speicherraum 3 mit einem Wärmespeichermedium 4 aufweist, und eine elektrische Heizeinrichtung 5 zur Erhitzung des Wärmespeichermediums 4. Das Wärmespeichermedium 4 ist ein sogenanntes „Phase Changing Material“, welches bei der Erwärmung auf eine Betriebstemperatur aus einer festen Phase in eine flüssige Phase übergeht. Vorzugsweise besteht das Wärmespeichermedium aus einem technischen Wachs, insbesondere einem Paraffin. Die Heizeinrichtung 5 weist mindestens ein Heizelement 6 mit einer Kaltleitercharakteristik auf, welches aufgrund einer nicht linearen Temperaturabhängigkeit des Ohm'schen Widerstandes ein selbstregelndes Heizelement bildet. Infolge der Temperaturcharakteristik sinkt die Leistungsaufnahme des Heizelementes 6 mit zunehmender Temperatur, so dass beim Betrieb des Heizelementes 6 aufgrund der selbstregelnden Funktion des Heizelementes 6 eine für das Element typische Temperatur nicht überschritten werden kann. Das Heizelement 6 erreicht eine maximale Temperatur, die größer ist als die Schmelztemperatur des Wärmespeichermediums 4 und kleiner ist als eine für das Wärmespeichermedium 4 maximal zulässige Temperatur, bei der eine thermische Schädigung des Wärmespeichermediums 4 beginnt. Vorzugsweise ist das Heizelement ein PTC-Heizelement.
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Der Wärmespeicher 2 des Behälters weist einen Wärmeaustauscher 7 mit einer Wärmeübertragungsfläche 8 zur Wärmeabgabe und an der Rückseite der Wärmeübertragungsfläche angeordneten Wärmeübertragungselementen 9 auf.
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Die Wärmeübertragungselemente 9 stehen an der Rückseite der Wärmeübertragungsfläche 8 vor und tauchen in das Wärmespeichermedium 4 ein. Sie sind im Ausführungsbeispiel als Rippen ausgebildet und bilden eine große Wärmeübertragungsfläche. Die der Aufnahmemulde zugewandte Wärmeübertragungsfläche 8 des Wärmeaustauschers 7 bildet eine im Wesentlichen ebene Auflagefläche für das zu wärmende Gut. Die Wärmeübertragungsfläche 8 und die rückseitig angeformten Rippen 9 sind Bestandteile eines einstückigen Körpers aus Metall oder aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff, der beispielsweise durch ein Pressverfahren oder Spritzgießen kostengünstig herstellbar ist. Durch ein Pressverfahren entsteht ein Profil, aus dem der Körper durch eine spanende Bearbeitung, z. B. durch Fräsen, herstellbar ist. Der den Wärmeaustauscher 7 bildende Körper besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen Werkstoff mit ähnlich guten Wärmeleitungseigenschaften.
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Aus einer vergleichenden Betrachtung der 3 und 4 geht hervor, dass der Wärmeaustauscher 7 an seiner Unterseite zwischen benachbarten Rippen eine im Wesentlichen ebene Fläche aufweist, an der mehrere in Reihe geschaltete Heizelemente 6 flächig befestigt sind. Die Heizelemente können beispielsweise mit dem Wärmeaustauscher 7 verklebt oder durch eine formschlüssige Verbindung an der Fläche des Wärmeaustauschers 7 befestigt sein. Sie tauchen in das Wärmespeichermedium 4 ein.
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Die Heizelemente 6 sind an einer dem Wärmespeichermedium 4 zugewandten Innenfläche des Wärmeaustauschers 7 befestigt und infolgedessen unzugänglich und geschützt angeordnet. Weder durch mechanisches Reinigen noch durch Spülen des Behälters können die Heizelemente 6 oder deren elektrische Kontaktierung beschädigt werden.
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Der Speicherheizkörper ist ohne äußere Isolierung funktionsfähig. Im Ausführungsbespiel ist der Speicherraum 3 des Wärmespeichers 2 jedoch von einem Isolierkörper 1 umgeben, an dessen Außenseite elektrische Kontaktflächen 10 angeordnet sind. Die Kontaktflächen 10 sind am Umfang des Isolierkörpers 1 positioniert und als ringförmige elektrische Leiter ausgebildet. Alternativ können am Umfang des Isolierkörpers 1 und/oder im Bodenbereich des Isolierkörpers Kontaktstifte oder eine Mehrzahl von paarweise angeordneten Kontaktstiften vorgesehen sein. Die Heizelemente 6 sind mit einer Schutzkleinspannung von weniger als 60 Volt betreibbar, so dass keine Schutzmaßnahmen für die elektrischen Kontakte notwendig sind. Die Heizelemente 6 können insbesondere eine elektrische Leistung zwischen 10 Watt und 200 Watt aufweisen. Zweckmäßig weisen sie eine Leistung von mehr als 30 Watt auf. Die Anzahl der Heizelemente 6 und die elektrische Leistung der Heizelemente ist auf die Größe der Wärmeübertragungsfläche 8 und die Masse des Wärmespeichermediums abzustimmen und wird anwendungsabhängig festgelegt.
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Der Speicherraum 3 des Wärmespeichers 2 ist von einer Schale 11 zur Aufnahme des Wärmespeichermediums 4 und einer aus dem Wärmeaustauscher 7 bestehenden Abdeckung begrenzt. Die Schale 11 zur Aufnahme des Wärmespeichermediums 4 besteht vorzugsweise aus einem nicht wärmeleitenden Material, insbesondere Kunststoff. Aus den 1 und 2 ist ersichtlich, dass der Speicherraum 3 als separater zweiteiliger Körper ausgebildet und mit dem Isolierkörper 1 verbunden ist. Der Isolierkörper 1 weist eine Außenschale 12 mit einem Boden 13 und einem hochgezogenen sowie nach innen umgebogenen Kragen 14 auf, der mit dem Speicherraum 3 des Wärmespeichers 2 verbunden ist. Die Verbindung ist im Ausführungsbeispiel als formschlüssige Verbindung in Form einer Steck- oder Rastverbindung ausgebildet. Die Schale 11 des Speicherraumes 3 und die Außenschale 12 des Isolierkörpers 1 kann alternativ auch miteinander verschweißt oder verklebt werden. Der Innenraum des Isolierkörpers 1 ist mit einem Isoliermaterial 15 ausgeschäumt.
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Der in den 1 und 2 dargestellte Speicherheizkörper hat die Form eines Warmhalteunterteils mit einer Aufnahmemulde für Essgeschirr. Auf den Rand des Warmhalteunterteils kann eine nicht dargestellte Cloche aufgesetzt werden. Bei entsprechender Formgebung der Vorrichtung sind vielfältige weitere Anwendungen der Erfindung möglich. So kann die Erfindung beispielsweise zum Warmhalten von Speisen in Gastronombehältern, als Warmhalteplatte oder als Wärmespeicherplatte genutzt werden.
