DE3828192A1 - Strahlheizkoerper sowie verfahren und vorrichtung zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlheizkörper, insbesondere zur Verwendung zur Beheizung von Glaskeramik-Kochplatten, Back-Bratgeräten o.dgl. sowie ein Verfahren und eine Vor­ richtung zu seiner Herstellung.

Die Befestigung von Heizwendeln auf Isolierkörpern für Strahlheizkörper geschieht entweder durch Einlegen in Nuten des Isolierkörpers, durch Befestigen mit Klammern auf der Oberfläche des Isolierkörpers oder durch Einbetten der Heiz­ wendel in einem feuchten Isolierkörper, in den die Heiz­ wendel hineingedrückt wird und nach der Trocknung dort fest­ gelegt ist. Dieses letztere Verfahren hat sich als sehr vor­ teilhaft gezeigt, ist jedoch relativ aufwendig und erfordert ein überwiegend faseriges Isoliermaterial, das eine gute mechanische Festigkeit hat, jedoch in den thermischen Iso­ liereigenschaften deshalb etwas niedriger liegt. Diese Iso­ lierkörper werden daher normalerweise mit einer Schicht aus einem Aerosil unterlegt, das bei guter Wärmebeständigkeit und ausgezeichneten elektrischen und thermischen Isolier­ eigenschaften jedoch eine geringere mechanische Festigkeit hat.

Ebenfalls bekannt ist es, die Heizwendel an einigen Stellen so zu verformen, daß Vorsprünge entstehen, die beim Herstel­ len des Isolierkörpers von diesem umpreßt werden (EP-A­ 71 048).

Bisherige Versuche, Heizwendeln oder Vorsprünge direkt in ein solches Aerosil einzubetten, sind fehlgeschlagen. Wollte man ein solches Material verwenden, so mußte man die Festle­ gung mittels Klammern oder ausgeformten Vorsprüngen der Heizwendeln vornehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strahlheizkörper und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu seiner Herstellung vor­ zuschlagen, bei dem eine Einbettung der Heizwendeln in den Isolierkörper mit gutem Halt darin möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem der aus Isoliermaterial bestehende Isolier­ körper eines Strahlheizkörpers mit darin teilweise eingebet­ teten Heizwendeln dadurch hergestellt wird, daß das Innere der Heizwendel über einen Abschnitt seiner Querschnittsflä­ che mit einem ins Innere der Heizwendel einbringbarem Füll­ material gefüllt, danach das Isoliermaterial so aufgebracht wird, daß es den von Füllmaterial freien Raum im Inneren der Heizwendel ausfüllt und anschließend das Füllmaterial ent­ fernt wird. Das Füllmaterial kann ein fließfähiges Material, beispielsweise Quarzsand sein.

Das Isoliermaterial kann in trockener Form auf die auf einer geeigneten Unterlage liegenden, teilweise mit dem Füllmate­ rial gefüllten Heizwendeln aufgeschüttet werden, wobei be­ vorzugt als Isoliermaterial ein rieselfähiger Stoff, insbe­ sondere ein Aerogel auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung und mit Binde- und Trübungsmitteln verwendet wird.

Das Isoliermaterial kann vor dem Entfernen des Füllmaterials gepreßt werden, so daß es einen relativ festen Block bildet, der unter vielen Voraussetzungen schon allein ausreicht, um die nötige Festigkeit zu gewährleisten. Dabei ist ja das Füllmaterial zwischen die Windungen der Heizwendeln einge­ drungen und hat diese teilweise umschlossen. Durch die Größe der Füllmaterial-Schüttung im Inneren der Heizwendel und auch ggf. eine gewisse Form mit einer konkaven oder konvexen Oberfläche kann auch die Form des die Einbettung bildenden, im Heizwendel-Inneren verbleibenden Teil des Isolierkörpers bestimmt werden. Dies kann ebenfalls dadurch geschehen, daß die Heizwendel als hochstehendes Oval ausgebildet wird. Es ist somit möglich, den Preßdruck auch bis ins Innere der Heizwendel zu erstrecken, ohne daß dadurch die Heizwendel selbst verformt wird bzw. zusätzlich der Isolierkörper be­ schädigt wird, wenn beispielsweise eine Heizwendel in den trocken vorgepreßten Isolierkörper selbst eingepreßt wird.

Der entstehende Isolierkörper hat außer einer guten Festle­ gung der Heizwendel den Vorteil, daß ein Teil seiner Innen- Querschnittsfläche frei von Isoliermaterial ist, so daß die Abstrahlungsbedingungen des Strahlheizkörpers gut sind und der Isolierkörper nicht unnötig thermisch belastet oder auf­ geheizt wird.

Der Isolierkörper kann nach dem Pressen vorzugsweise noch thermisch ausgehärtet werden. Das kann ggf. auch bei der ersten Benutzung oder einem Probelauf geschehen. Es können entsprechende bekannte Härtungsmittel verwendet werden. Es ist auch möglich, ein Härtungsmittel in das Füllmaterial einzubringen und dieses von dort aus in die benachbarten Bereiche des Isoliermaterials eindringen zu lassen. In die­ sem Falle würden bevorzugt die Einbettungsstellen gehärtet werden, was einen idealen Isolierkörper mit erhöhter Festig­ keit im Bereich der Einbettung, im übrigen aber die besten thermischen Isoliereigenschaften ergibt. Bei Mehrkomponen­ ten-Härtern könnte auch nur eine Komponente dieses Härtungs­ mittels im Füllmaterial enthalten sein.

Es ist ebenfalls möglich, das Härtungsmaterial geschichtet zu dosieren und dabei an den Stellen der Heizwendel erhöht zu dosieren.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung von Strahlheiz­ körpern der beschriebenen Art enthält ein Werkzeug, in dem die Heizwendeln in Nuten teilweise aufgenommen sind und eine Einrichtung zur teilweisen Füllung eines fließ- bzw. riesel­ fähigen Füllmaterials in die Nuten und eine Preßeinrichtung zum anschließenden einbettenden Verpressen der Heizwendel mit dem Isoliermaterial. Das rieselfähige Material ist vor­ zugsweise inkompressibel und bildet einen im Inneren der Heizwendel liegenden "Gegendruckstempel", auf dem das Iso­ liermaterial fest verpreßt werden kann.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung kann ein bevorzugter Strahlheizkörper hergestellt werden, der im Inneren über einen Abschnitt seines Innenquerschnitts durch Einbettung in das Isoliermaterial mit diesem gefüllt ist, wodurch die Heizwendel am Isolierkörper festgelegt ist. Das Isoliermate­ rial kann dabei besonders bevorzugt aus einem rieselfähigen Stoff, insbesondere einem Aerogel der bereits erwähnten Art bestehen. Der Strahlheizkörper ist besonders dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche des im Inneren der Heizwendel liegenden Abschnittes des Isolierkörpers der Abdruck des ins Innere der Heizwendel einbringbaren Füllmaterials ist.

Es hat sich gezeigt, daß der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Heizwendel größer als die Drahtdicke sein sollte, damit ein gutes Eindringen des Füllmaterials einer­ seits und des Isoliermaterials andererseits ins Innere der Heizwendel möglich ist und daß die für den Halt der Heizwen­ del sorgenden, zwischen den Drahtwindungen hindurchreichen­ den Isolierkörper-Stege einen ausreichenden Querschnitt ha­ ben.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens nach der Erfindung im teilweise abgebro­ chenen schematischen Vertikalschnitt;

Fig. 2 die vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils eines Strahlheizkörpers nach der Erfin­ dung;

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 11, die auf einem Werkzeug­ tisch oder -ständer 12 angeordnet ist und ein Werkzeug 13 trägt, das die Form einer Platte mit an seiner Oberseite eingeformten Nuten 14 hat, die einen im wesentlichen halb­ runden Querschnitt haben. Die Nuten verlaufen auf der oberen Werkzeugfläche 15 in beispielsweise spiraliger, zickzack­ oder mäanderartiger Form, je nachdem, wie Heizwendeln 16 auf der Oberfläche eines Isolierkörpers angeordnet werden sol­ len. Das Werkzeug kann im Randbereich Ausnehmungen haben, die beispielsweise einen umlaufenden Rand eines Isolierkör­ pers formen.

In die Nuten 14 werden Heizwendeln 16 eingelegt, die aus den Nuten teilweise herausragen. Der Anteil des Heizwendel-Quer­ schnitts, der aus den Nuten nach oben herausragt, bestimmt zusammen mit der Nuttiefe die Höhe der späteren Einbettung der Heizwendeln in einen Isolierkörper 21.

In die Nuten 14 wird im Rahmen des Herstellungsverfahrens ein Füllmaterial 17 eingebracht, das beispielsweise aus Quarzsand als Hauptbestandteil besteht. Möglich ist auch die Verwendung eines Materials wie Wachs oder Stearin, das im warmen Zustand flüssig ist. Das Füllmaterial wird vorzugs­ weise so weit eingefüllt, daß es mit seiner Oberfläche im wesentlichen mit der oberen Werkzeugfläche 15 abschließt. Es kann aber auch etwas darüber oder darunter liegen und es kann auch durch entsprechende Einbringungs- oder Nachbehand­ lungsschritte eine bestimmte Gestalt einnehmen, beispiels­ weise eine konkave oder konvexe Form, die dann auch die Form des Isolierkörpers an dieser Stelle bestimmt. Dies könnte beispielsweise durch Rütteln oder andere Maßnahmen durchge­ führt werden. Die Form der Nuten muß auch nicht genau den Heizwendeln entsprechen. Sie sollte nur so sein, daß die Heizwendeln während der Bearbeitung gut geführt werden. Um jedoch eine äußere Umschließung der Heizwendeln auch im Nut­ bereich zu vermeiden, sollten die Nuten relativ genau auf die Heizwendeln abgestimmt sein. Eine Ausformung der Nuten entsprechend den Einzelwindungen dürfte jedoch nur in Aus­ nahmefällen nötig sein.

Unter gewissen Umständen könnte auch das Füllmaterial be­ reits vor den Heizwendeln eingebracht sein, wenn beispiels­ weise die Heizwendeln durch einen Vibrationsvorgang unter entsprechendem Druck von oben in die Nuten eingebracht wer­ den. Es würde auch nichts schaden, wenn das Füllmaterial die Heizwendeln noch untergreift, weil das Füllmaterial wegen seiner Inkompressibilität ebenso wirkt wie ein fester Werk­ zeugstempel.

Auf das so vorbereitete Werkzeug 13 wird ein Isoliermaterial geschüttet, das vorzugsweise ein Aerogel auf der Basis pyro­ gener Kieselsäure oder Aluminiumoxid ist und ggf. eine Fa­ serverstärkung beinhalten kann. Es enthält übliche Binde­ und Trübungsmittel, beispielsweise Ilmenit, Eisenoxid oder dergleichen. Das Isoliermaterial ist sehr leicht und riesel­ fähig und dringt gut zwischen den Windungen der Heizwendeln ein und füllt den vom Füllmaterial 17 nicht eingenommenen Abschnitt 20 des Innenraums der Heizwendel bis an die Ober­ fläche des Füllmaterials an.

Dieses trocken in rieselfähigem Zustand aufgebrachte Iso­ liermaterial 21 wird danach von einem Preßstempel 22 mit einer angedeuteten, beispielsweise hydraulischen Preßvor­ richtung 23 gegen das Werkzeug 13 verpreßt. Dabei wird auch der im Inneren der Heizwendel liegende Abschnitt 20 verdich­ tet, indem Isoliermaterial durch die Windungen nachdrängt. Man kann davon ausgehen, daß am Ende der Verpressung ein weitgehend homogener Körper aus verpreßtem trockenen Iso­ liermaterial gebildet ist. Er kann danach wärmebehandelt werden, um in den Trübe- oder Bindemitteln enthaltene ther­ misch aushärtende Materialien bekannter Konsistenz wirksam werden zu lassen. Ihr Anteil und der Grad der Verpressung hängt von den Anforderungen an die Festigkeit und insbeson­ dere Abriebfestigkeit des Isolierkörpers ab. Eine zusätzli­ che partielle Härtung im Bereich der Einbettung kann durch Versetzen des Füllmaterials 17 mit einem Härtungsmittel ge­ schehen, das beim Verpressen aus dem Füllmaterial herausge­ drängt wird oder auch kapillar in die angrenzenden Teile des Isolierkörpers eindringt. Ebenfalls möglich ist es, den Iso­ lierkörper mit unterschiedlichen Anteilen an Härtungszusät­ zen zu versehen und die Dosierung an den Heizwendeln zu er­ höhen. Vor dem thermischen Aushärten wird der trocken ver­ preßte Isolierkörper 21 aus der Vorrichtung 11 entfernt, indem die Vorrichtungsteile 13, 22 auseinandergefahren wer­ den. Das Füllmaterial 17 rieselt dabei von selbst zwischen den Windungen der Heizwendeln 16 hindurch bzw. verbleibt in den Nuten von wo es entweder sofort weiterverwendet oder durch Abschütteln, Abblasen oder Absaugen entfernt und ggf. nach einer Aufarbeitung wieder neu verwendet werden kann. Als Füllmaterial sind alle rieselfähigen oder in gewisser Weise fließfähigen Materialien geeignet, die weitgehend in­ kompressibel sind und, beispielsweise durch Eigenreibung der einzelnen Partikel, aus denen sie bestehen, nicht wie eine reine Flüssigkeit verdrängt werden können oder in das Iso­ liermaterial eindringen. Die Konsistenz wird dementsprechend meist zwischen "staubförmig" und "körnig" liegen, bei Ver­ wendung von Wachs oder Stearin auch flüssig.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den fertigen Strahlheizkörper in seiner Gebrauchslage mit Abstrahlrichtung nach oben, wobei in Fig. 2 eine Glaskeramikplatte 23 gezeigt ist, unter der der Strahlheizkörper 24 angeordnet ist und diese nach oben durchstrahlt. Der Strahlheizkörper ist jedoch auch für ande­ re Anwendungen geeignet, beispielsweise zur Beheizung von Backöfen etc.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Heizkörper auch von an­ ders hergestellten Heizkörpern klar zu unterscheiden ist, weil normalerweise im Bereich des im Heizwendelinneren gele­ genen Abschnitts 37 dessen Oberfläche 26 eine andere Struk­ tur hat als die vom Werkzeug 13 geformte Fläche 35. Norma­ lerweise beginnt diese strukturierte Oberfläche 26 schon etwas außerhalb der Heizwendel 16 und bildet dort eine kleine Kante 27. Je nach dem Grad der Schüttung des Füllma­ terials 17 liegt die Oberfläche 26 etwas höher oder ggf. auch tiefer als die Fläche 35. Wenn die Nuten 14 gerade ge­ füllt sind, bevor die Verpressung beginnt, liegt die Ober­ fläche 26 etwas höher, weil sich das Füllmaterial bei der Verpressung etwas setzt.

Es sind auch andere Methoden zur gänzlichen oder nur die Oberfläche betreffenden Härtung möglich. Eine thermische Aushärtung kann auch erst während des Betriebes erfolgen. Durch entsprechende Ausbildung des Werkzeugs kann die Fläche 26 und ggf. auch die Fläche 35 in einfacher Weise beliebig gestaltet werden. So ist es beispielsweise möglich, die An­ bringung der Heizwendel im Bereich einer parallel zu dieser verlaufenden oder auch diese kreuzenden Rippe oder eines längs verlaufenden Vorsprunges vorzunehmen. Dies kann durch entsprechende Ausbildung der Oberfläche des Werkzeugs 13 und der Nuten sowie durch spezielle Form der Schüttung erreicht werden. So könnte beispielsweise die Schüttung durch längs der Nuten verlaufende Schüttkanäle oder -düsen erfolgen, die ein bestimmtes Muster des Füllmaterials im Inneren der Heiz­ wendel hervorrufen. So kann beispielsweise, wenn mit einem "Haufen" geschüttet wird, eine der Krümmung der Windungen der Heizwendel angepaßte konkave Form des Abschnitts 17 er­ reicht werden. Vorteilhaft könnte auch bei einer Schüttung durch die angelegte Heizwendel hindurch jeweils der Bereich unter einer Heizwendel durch Abdeckung etwas weniger hoch geschüttet werden, so daß an dieser Stelle das Isoliermate­ rial etwas höher zu liegen kommt und daher einer Umschlie­ ßung insbesondere der Heizwendel ermöglicht. In diesem Falle hätte die Oberfläche 26 in Fig. 2 eine gewellte, jeweils zwischen den Heizwendeln sich absenkende Gestalt.

Wie aus den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, umfaßt vorzugswei­ se der Isolierkörperabschnitt 37 vorzugsweise nur den unte­ ren Teil, beispielsweise ein Drittel bis zur Hälfte des Um­ fangs der Windungen der Heizwendel 16. Dies reicht für eine gute Festlegung aus. Es ist wichtig, daß beträchtliche An­ teile der Heizwendel und dementsprechend ein vorzugsweise mehr als die Hälfte des Heizwendelquerschnitts einnehmenden Abschnitt 36 vom Isolierkörper frei sind, um frei abstrahlen zu können. Die eingebetteten und freibleibenden Anteile än­ dern sich jedoch je nach der Beschaffenheit des Isoliermate­ rials und den Festigkeits- und Gebrauchsanforderungen an den Strahlheizkörper. Besonders günstig ist die Verwendung von hochkant angeordneten Ovalheizwendeln.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von Strahlheizkörpern (24) mit einem aus Isoliermaterial bestehenden Isolierkörper (21) und darin teilweise eingebetteten Heizwendeln (16), dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Heiz­ wendel (16) über einen Abschnitt (36) seiner Quer­ schnittsfläche mit einem ins Innere der Heizwendel (16) einbringbaren Füllmaterial (17) gefüllt, danach das Isoliermaterial so aufgebracht wird, daß es den von Füllmaterial (17) freien Raum (20) im Inneren der Heiz­ wendel ausfüllt und anschließend das Füllmaterial (17) entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial bei seiner Aufbringung trocken ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Isoliermaterial vor dem Entfernen des Füllmaterials (17) gepreßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (21) nach dem Pressen vorzugsweise thermisch ausgehärtet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Füllmaterial (17) ein fließfähiges Material, wie Quarz etc., verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial aus einem rieselfähigen Stoff, insbesondere einem Aerogel auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung, besteht und Binde- und Trübungs­ mittel enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die mit Heizwendeln (16) ver­ sehene Oberfläche des Strahlheizkörpers (24) nach dem Verpressen und ggf. Aushärten durch Blasen oder Saug­ luft von Partikeln des Füllmaterials (17) befreit wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (17) zumin­ dest mit Komponenten eines benachbarte Bereiche des Isoliermaterials beeinflussenden Härtungsmittels ver­ setzt wird.

9. Vorrichtung zur Herstellung von Strahlheizkörpern (24) mit einem aus Isoliermaterial bestehenden Isolierkörper (21) und darin teilweise eingebetteten Heizwendeln (16), gekennzeichnet durch ein Werkzeug (13), in dem die Heizwendeln (16) in Nuten (14) teilweise aufgenom­ men sind und durch eine Einrichtung zur teilweisen Füllung eines fließ- bzw. rieselfähigen Füllmaterials (17) in die Nuten (14) und eine Preßeinrichtung (23) zum anschließenden einbettenden Verpressen der Heizwen­ deln (16) mit dem Isoliermaterial.

10. Strahlheizkörper, hergestellt nach dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Strahlheizkörper mit einem Isolierkörper (21) aus Iso­ liermaterial und wenigstens einer darin teilweise ein­ gebetteten Heizwendel (16), dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial aus einem anfänglich rieselfähigen, verpreßten Stoff, insbesondere einem Aerogel auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung und Binde- und Trübungsmitteln besteht und daß das Innere der Heizwendel (16) über einen Abschnitt (37) ihres Innen-Querschnitts durch Einbettung in das Isoliermaterial mit diesem gefüllt und dadurch die Heizwendel (16) am Isolierkörper (21) festgelegt ist.

12. Strahlheizkörper mit einem Isolierkörper (21) aus Iso­ liermaterial und wenigstens einer darin teilweise ein­ gebetteten Heizwendel (16), dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Heizwendel (16) über einen Abschnitt (37) ihres Innen-Querschnitts durch Einbettung in das Isoliermaterial mit diesem gefüllt und dadurch die Heizwendel am Isolierkörper (21) festgelegt ist, wobei die Oberfläche (26) des Abschnitts (37) der Abdruck eines aus dem Inneren der Heizwendel (16) entfernten Füllmaterials (17) ist.

13. Strahlheizkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (21) aus durch Aushärtung verfestigtem Isoliermaterial besteht.

14. Strahlheizkörper nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Heizwendel (16) größer als die Drahtdicke ist.