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Plattenförmiges elektrisches Heizgerät Die Erfindung betrifft plattenförmige
elektrische Heizgeräte, insbesondere solche für Kochöfen und ähnliche Haushaltsanwendungen,
und zwar betrifft die Erfindung ein elektrisches Heizgerät der Art, bei dem ein
Heizelement mit der Unterseite einer die Kochgefäße tragenden Platte in Berührung
gehalten wird, welche wärmedurchlässig und gegen zerstörende Hitze- und mechanische
Stoßeinwirkung sowie gegen die physikalischen und chemischen Einwirkungen von Flüssigkeiten,
die mit der Oberseite der Platte in Berührung kommen können, widerstandsfähig ist.
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Durch die Erfindung soll eine wärmetechnisch, mechanisch und fabrikatorisch-herstellungsmäßig
besonders vorteilhafte Form eines derartigen plattenförmigen elektrischen Heizgerätes,
insbesondere einer Kochplatte mit einer aus glasartigem Material, beispielsweise
Hochsilikaglas, bestehenden starren Heizplatte geschaffen werden.
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Es ist bereits bekannt, derartige plattenförmige elektrische Heizgeräte
mit einer aus glasartigem Material, beispielsweise Hochsilikaglas bestehenden starren
Heizplatte in der Weise aufzubauen, daß unterhalb der Glas-Heizplatte parallel zu
ihr eine Schicht aus einem thermisch und elektrisch isolierenden hitzebeständigen
Material sowie zwischen dieser Schicht und der Heizplatte ein metallisches Heizelement
angeordnet ist, wobei diese drei Bestandteile als Einzelteile ausgebildet sind und
mittels Klemmung zusammengehalten werden.
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Derartige aus glasartigem Material bestehende Heizplatten haben den
Vorteil, daß das metallische Heizelement unmittelbar ohne Zwischenlagerung eines
elektrischen Isolators in Berührung mit der Unterseite der Heizplatte gebracht werden
kann, wodurch sich anfänglich ein guter thermischer Wirkungsgrad der Wärmeübertragung
vom Heizelement auf die Platte ergibt.
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Bei den bekannten Ausführungen derartiger Kochplatten mit Hochsilikaglas-Heizplatte
wurde jedoch beobachtet, daß der anfänglich gute thermische Wirkungsgrad im Verlaufe
der Benutzung zurückging; dies war hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß die
Berührung zwischen dem Heizelement und der Heizplatte infolge der bei der Benutzung
auftretenden Ausdehnungs- und Kontraktionszyklen und der darauf beruhenden Sekundärerscheinungen
beeinträchtigt wurde, derart etwa, daß das Heizelement nur noch an wenigen Stellen
direkt mit der Heizplatte in Berührung stand. Neben der genannten Verminderung des
thermischen Wirkungsgrades kann dies auch zu einer Verkürzung der Lebensdauer führen,
da bestimmte Teile des Heizelementes überhitzt werden, was zu vorzeitigem Ausbrennen
des Heizdrahtes bzw. zum Springen des Glases der Heizplatte infolge örtlicher Überhitzung
führen könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Heizgeräte mit
einer aus Hochsilikaglas bestehenden Heizplatte so auszubilden, daß die innige Berührung
zwischen Heizplatte und Heizelement entlang der gesamten Länge des Heizelementes
während der gesamten Lebensdauer des Heizgerätes gewährleistet ist, wodurch die
erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen dieser Art vermieden werden.
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Zu diesem Zweck ist bei einem derartigen elektrischen Heizgerät gemäß
der Erfindung vorgesehen, daß das in an sich bekannter Weise ebenflächig ausgebildete
metallische Heizelement entlang seiner gesamten Länge von unten her durch die in
bekannter Weise in einer starren, schalenförmig ausgebildeten Bodenplatte angeordnete
elastische Isolierschicht gegen die Unterseite der planen Heizplatte gepreßt und
in direkter breitflächiger Berührung mit dieser dadurch gehalten wird, daß die Isolierschicht
in Form einer elastischen Matte aus einem thermisch und elektrisch isolierenden
Material ausgebildet ist, welche auf das darüberliegende Heizelement einen über
dessen Gesamtlänge gleichmäßig verteilten Druck zur Anpressung gegen die Heizplatte
ausübt.
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Die ebenflächige Ausbildung des Heizelementes kann dabei in verschiedener
Weise erfolgen: bei einer Ausführungsform beispielsweise in der Art, daß das metallische
Heizelement aus einem Material mit
flachem, bandförmigem Querschnitt
hergestellt ist. Nach einer anderen Ausführungsform kann das Heizelement als eine
ebenflächige, beispielsweise mäander-bzw. zickzacVörniige Wicklung aus dünnem Draht
hergestellt sein, wobei die Wicklungsebene parallel zu den Sch,#Ohtebenen des Aufbaues
des elektrischen Heizge,Iges liegt.
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Di reh diese Maßnahme nach der Erfindung, wonach das Heizelement entlang
seiner gesamten Länge ibreitflächiger Berührung mit der Heizplatte gehal Beeten
wird und diese Berührung für die gesamte Lebensdauer des Heizgerätes gewährleistet
ist, wird eine wesentliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades für den Wärmeübergang
und eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer gegenüber den bekannten Anordnungen
erzielt, bei denen jeweils nur ein Teil jeder Windung des Heizelementes mit der
Glasplatte in Berührung steht.
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Dabei kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
sein, daß die Heizplatte und die Bodenplatte Flanschränder und Befestigungsvorrichtungen
zu ihrer Verbindung aufweisen, mittels welcher die Platten unter Anpressung der
Schichtungsbestandteile gegeneinander festgeklemmt werden können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht
darin, daß die Heizplatte an ihrer mit dem Heizelement in Berührung stehenden Unterseite
mit einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Überzug versehen ist, in den das
Heizelement teilweise eingebettet ist.
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Vorzugsweise enthält das Heizelement Aluminium; in diesem Fall kann
der Überzug im wesentlichen aus Aluminiumoxyd bestehen. Besonders vorteilhaft ist
die Ausbildung des Überzugs in Form eines Films aus einer Aluminiumverbindung.
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Schließlich kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
sein, daß die Matte eine Faserstruktur aufweist, wobei die Länge der einzelnen Fasern
größer als die Breite des gegen die Unterseite der Heizplatte gepreßten Heizelementes
ist. Die Matte kann dabei im wesentlichen aus keramischen Fasern, beispielsweise
Aluminiumsilikatfasern, bestehen und mehrere Schichten aus dem gleichen Material
aufweisen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in dieser
zeigt Fig. 1 ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Heizgerät in Schnittdarstellung,
Fig. 2 und 3 dieses Heizgerät in teilweiser Draufsicht und Untersicht, Fig. 4 dieses
Heizgerät teilweise in Draufsicht, wobei Teile weggebrochen sind, Fig. 5 einen Schnitt
gemäß der Linie 5-5 in Fig. 4 in vergrößerter Darstellung mit Einzelheiten des Heizgerätes
nach Fig. 1, Fig. 6 eine der Fig. 5 entsprechende Schnittdarstellung einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 eine weitere der Fig. 5 entsprechende Schnittdarstellung,
in der schematisch die Wirkungsweise der Vorrichtung dargestellt wird, Fig. 8 ein
stark vergrößertes Detail aus Fig. 7.
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In den Fig. 1 bis 3 ist die erwähnte elastische Matte 10, die vorzugsweise
aus einer porösen Masse aus keramischen Fasern gebildet wird, zwischen einer starren,
glasartigen Platte 11 und einem Metallblech 12 eingepreßt. Dieses Blech ist am Rand
13 nach oben gezogen und umgebördelt, so daß das elastische Material darin gehalten
und die Platte 11 an einem entsprechenden Rand 14 mit Hilfe von Befestigungsmitteln
15 befestigt werden kann. Auf diese Weise wird ein elektrisch leitendes Heizelement,
beispielsweise ein Heizdraht oder -band 16, zwischen der Matte 10 und der Platte
11 durch die Matte 10 elastisch entlang der gesamten Länge des Drahtes oder Bandes
gegen die Unterseite der Platte 11 gedrückt; der Draht oder das Band sind dabei
flexibel und derart verlaufend angeordnet, daß eine vollständige, breitflächige
Berührung mit der Unterseite der Platte zustande kommt.
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Die keramische Fasermatte 10 kann vorzugsweise als Hauptbestandteil
Fasern aus Aluminiumsilikat aufweisen, Die Glasplatte 11, die Metallpfanne 12, 13
und der Rand 14 dienen auch dazu, das elastische Faserkissen 1.0 zu umschließen
und so die Matte und den Heizdraht 16 gegen Feuchtigkeit zu schützen.
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Das Metallblech 12 mit dem Rand 13 ist vorzugsweise mit radialen Kehlungen
17 versehen und bildet so eine starre Pfanne 12, 13, wodurch Unregelmäßigkeiten
des mechanischen Drucks und der thermischen Kopplung an verschiedenen Stellen das
Drahtes 16 vermieden werden. Vorzugsweise wird das Blech 12 schüsselförmig mit der
konvexen Seite gegen die Platte 11 ausgebildet und gegen Biegung in umgekehrter
Richtung dadurch noch besonders gesichert, daß wenigstens eine der in radialer Richtung
verlaufenden Kehlungen 18 über die Länge eines Durchmessers und somit über die gesamte
Breite des Bleches geführt ist.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Draht 16 mehrere große Windungen
19 aufweisen, die beispielsweise in Form einer flachen Spirale koaxial mit dem Heizgerät
angeordnet sind. Jede der großen Windungen hat vorzugsweise mehrere kleinere Windungen
20, die beispielsweise mäander- oder zickzackförmig entlang und in der Ebene der
flachen Spirale geführt sind. Eine derartige Ausbildung ist erforderlich, um im
wesentlichen die gesamte Länge eines sehr langen Drahtes 16 in direkter, inniger
und bleibender Berührung mit der Unterseite der Platte 11 zu halten und so ungleichmäßige
Erhitzung und die damit zusammenhängenden Probleme zu vermeiden.
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In Fig. 5 bezeichnet 16 einen Draht mit abgefachtem Querschnitt, so
daß er unten und oben große Berührungsflächen 21, 22 aufweist. Die gesamte obere
Fläche 21 steht mit der Unterseite eines Aluminium oxydfilms 23 auf der Unterseite
der Glasplatte in breitflächiger Berührung, während die untere Fläche 22 des Drahtes
dem von den Fasern 24 der elastischen Isolationsmatte 10 ausgeübten, nach aufwärts
gerichteten Druck eine große Angriffsfläche darbietet.
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Diese Matte kann, wie bereits erwähnt, aus Materialien aus Aluminiumsilikat
od. ä. bestehen und insbesondere aus einer ziemlich lockeren und leichten Form dieser
Materialien, die keine Zusammenballungen od. ä aufweist und bei der die durchschnittliche
Länge der Fasern 24 größer ist als die Breite der Drahtoberfläche 22. Das gegebenenfalls
zum Zusammenhalt der Fasern vorgesehene plastische Bindemittel soll vorzugsweise
wärmebeständig sein und geringes Volumen haben, damit die Fasern auch in der Nähe
des heißen Drahtes möglichst wenig zusammenkleben.
Wie in Fig. 6
dargestellt, kann man unter Fortlassung des Films 23 die Oberseite 21 des Drahtes
direkt mit der Unterseite der Glasplatte in Berührung bringen, wobei auf eine breite,
nach unten gerichtete Drahtoberfläche 22 durch Teile oder Teilchen 24, beispielsweise
Fasern der elastischen Matte 10, ein Anpreßdruck ausgeübt wird. Bei dieser wie bei
den anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Matte aus einer Mehrzahl von
Schichten 25, 26, 27 bestehen. Diese Schichten müssen, wie erwähnt, elastisch sein.
Im tatsächlichen Betrieb werden sie nach unten zunehmende Elastizität aufweisen,
da auf Grund der Wirkungsweise des Heizelementes und des Isolators naturgemäß in
den oberen Teilen der isolierenden Matte höhere Temperaturen und entsprechend verhältnismäßig
niedrigere Temperaturen in den unteren Teilen herrschen werden, so daß in den oberen
Schichten der Matte eine größere Neigung zum Schmelzen des Bindemittels und infolgedessen
zum Zusammenkleben der Fasern besteht. Die erwünschte Temperaturerniedrigung in
den unteren Teilen der Matte kann zusätzlich zu der grundsätzlichen Isolierwirkung
der Matte in einem gewissen Umfang dadurch gefördert werden, daß Wärmestrahlung
an den Oberflächen der Schichten 25, 26, 27 usw. nach oben reflektiert wird.
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Die Wirkungsweise einer Anordnung gemäß Fig. 5 im Betriebszustand
ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Das Heizelement 16 kann rotglühend sein und
in vielen Fällen eine Temperatur von etwa 980° C haben. Bei einer derartigen Temperatur
ergab sich ein Wärmedurchgang durch die Platte 11 von etwa 150 kg - cal pro Stunde
und Quadratzentimeter.
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Die elastische und teilweise zusammengepreßte Faserstruktur der Matte
10 zwischen der starren Bodenplatte 12 einerseits und der starren Deckplatte 11
andererseits übt einen über die ausgedehnte Unterseite 22 des Heizelementes 16 verteilten
mechanischen Druck M auf diese Unterseite aus. Die dem Heizelement 16 benachbarten
Fasern 24 können sich zusammenballen, die entfernteren Fasern bleiben jedoch nach
abwärts zunehmend elastisch, so daß die Matte 10 während einer langen und praktisch
unbegrenzten Gebrauchsdauer zur gleichmäßigen Verteilung der Kraft M dienen kann.
Diese gleichmäßige Verteilung bleibt selbst dann erhalten, wenn die Oberflächen
des biegsamen Drahtes 16 oder der Platte 11 oder auch beide sich nennenswert werfen
oder deformieren, was als Folge unvermeidbarer Zwischenfälle bei der Massenfabrikation
sowie auch infolge thermischer Effekte im Gebrauch vorkommen kann. Durch die Anordnung
der oben beschriebenen isolierenden Grenzfläche 10, 22 zwischen der Matte und dem
Heizdraht läßt sich daher in besonders wirksamer Weise die erstrebte innige, gleichmäßige
und dauerhafte thermische Verbindung an der leitenden Grenzflächen 21, 23,11 von
Draht, Film und Glas erzielen und aufrechterhalten. Diese Grenzfläche 21, 23, 11
ist in Fig. 8 stark vergrößert dargestellt, wobei zu bemerken ist, daß diese Darstellung
nur mutmaßlichen und stark schematischen Charakter hat und daß die Erfindung durch
keine besondere auf dieser Darstellung oder darin enthaltenen Einzelheiten beruhende
Theorie beschränkt werden soll. Wie hier und in Fig. 7 gezeigt, wird die Wärmeenergie
E von dem glühenden Draht 16 schnell auf den dünnen Film 23 übertragen, da bei Berührung
eines heißen metallischen Körpers und insbesondere eines heißen Aluminiumlegierungsdrahtes
durch einen Körper aus Aluminiumoxyd ein guter Wärmeübergang stattfindet. In gleicher
Weise ergab sich auch eine sehr gute Wärmeübertragung in die Glasplatte 11 und durch
sie hindurch. Wie in Fig.7 gezeigt, erfolgt diese Wärmeübertragung hauptsächlich
durch einen Wärmeleitungsstrom C durch die Grenzfläche 21, 23 zusätzlich zu der
gleichfalls stattfindenden Strahlungsübertragung R der Wärme durch die genannte
Grenzfläche, den Film 23 und die Glasplatte 11.
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Zur Verbesserung des Heizwirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit
erwies es sich als besonders wünschenswert, das Heizelement 16 aus einer Metallmischung
bzw. -legierung herzustellen, die neben dem Hauptbestandteil Eisen Zusätze anderer
Metalle einschließlich Aluminiums enthält. Die Verwendung derartiger Drähte stieß
früher auf Schwierigkeiten; unter der Einwirkung hoher Temperaturen brach der Draht
nach bestimmten, allzu kurzen Betriebsdauern. Es hat den Anschein, daß Aluminium
oder Aluminiumoxyd, das im Heizdrahtkörper oder an seinen Oberflächenteilen in der
Mischung bzw. Legierung enthalten ist oder sich darin bildet, in die Oberflächenschichten
an der Unterseite der Glasplatte 11 gelangt, so daß dort eine Art absorbierende
Silikafritte F gebildet wird, wie in Fig. 8 angedeutet. Es gibt Anhaltspunkte dafür,
daß Aluminium tatsächlich die Neigung hat, aus Zwischenräumen 1 (Fig. 8) zwischen
Körnern anderer Metalle herauszuschmelzen, zu verdampfen und vom Draht wegzuwandern.
An verhältnismäßig kühlen Stellen auf der Unterseite einer ursprünglich nicht überzogenen
Glasplatte bildeten sich anscheinend durch Kondensation des Metalldampfes Ansammlungen
von Aluminium.
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Durch Verwendung der Aluminiumoxydschicht 23 konnte das auf diese
Erscheinung zurückzuführende vorzeitige Brechen des Drahtes vollständig vermieden
werden. Es ergibt sich; daß schon durch eine sehr dünne Schicht dieses Materials,
welche den Wärmeübergang praktisch nicht beeinträchtigt, die Silikafritte F gesättigt
gehalten wird, so daß kein Aluminium aus dem Heizdraht in diese gelangt. Die besten
Ergebnisse wurden mit einer Dicke des Films 23 im Bereich von 7,6 - 10-3 bis 2,0
- 10-2 cm, vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 1,3 1.0-2 cm erzielt.
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Wie oben angedeutet, kann die besondere Ausführung des Films 23 nach
den Fig. 5, 7 und 8 geändert und andere Stoffe zu seiner Herstellung verwendet werden,
wenn andere Heizdrahttypen angewandt werden. Der Film 23 kann schließlich wie in
Fig. 6 ganz weggelassen werden, wenn ein Heizelement 21 verwendet wird, das
auch nach längerem Erhitzen des Aluminiums oder ähnlicher Bestandteile nicht zum
Brechen neigt. In diesem Fall ist es besonders wünschenswert, daß beispielsweise
durch Abflachung des Drahtes für eine breite Oberflächenberührung zwischen dem Draht
und der Glasplatte gesorgt wird.
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Ein besonderer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht auch noch
darin, daß die elastische Matte besonders widerstandsfähig gegen mechanischen Stoß
ist, was etwa bei Haushaltheizgeräten wichtig ist, wo das Heizgerät große Belastungen
über lange Zeitdauern möglichst ohne Reparatur oder Auswechslung von Teilen aushalten
soll. Ein weiterer Vorteil der gezeichneten Ausführungsform liegt darin, daß hier
sehr einfache Befestigungsmittel 15 und Randteile 13, 14 mit gutem Erfolg verwendet
werden können.
Ferner ist bei der Erfindung durch den elastischen
Druck der Matte die Aufrechterhaltung der richtigen Lage des Heizelementes in der
Heizplatte gewährleistet, so daß ein Verrutschen des Heizelementes z. B. infolge
Verwerfungen der Heizplatte nicht möglich ist. Bei den beschriebenen Ausführungsformen
ist auch ein thermisches Schwingen, welches auftritt, wenn ober- und unterhalb des
Heizelementes sich eine große thermische Masse befindet, weitgehend vermieden. Außerdem
zeichnen sich die neuen Heizplatten durch einen günstigen thermischen Wirkungsgrad
(geringe Wärmeverluste, rasche Anheizmöglichkeit) sowie durch eine lange Betriebsdauer
aus.