DE2806159A1

DE2806159A1 - Tauchsieder

Info

Publication number: DE2806159A1
Application number: DE19782806159
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Phys Dr Meixner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-02-14
Filing date: 1978-02-14
Publication date: 1979-08-16
Also published as: IT7920065A0; BE874159A; DE2806159B2; US4230935A; IT1110525B; DE2806159C3; DK60479A; LU80909A1; FR2417234A1; NL7901135A; SE7901251L; JPS54117962A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 73 ρ _{? Q Q g}

Tauchsieder

Die Erfindung betrifft einen Tauchsieder, wie er im Oberbegriff des Anspruches.1 angegeben ist.

Seit langem sind Tauchsieder zur Erhitzung von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, bekannt. Ebenso lange besteht schon das Problem, eine in jedem Falle ausreichende Betriebssicherheit für solche Tauchsieder zu schaffen, da die durch diese Geräte gegebene Brandgefahr besonders hoch ist. Beim Tauchsieder kann nämlich ohne weiteres das Heizelement unmittelbar mit leicht in Brand zu setzenden Stoffen wie Tischdecke, Zeitung u. dergl. in Berührung kommen. Eine wie bei anderen Küchengeräten im Regelfall ohne weiteres mögliche Abschirmung des darin enthaltenen Heizelementes gegen die übrige Umgebung ist beim Tauchsieder praktisch nicht realisierbar und auch bisher wenigstens im Regelfall nicht realisiert worden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für eine vorgegebene Betriebsspannung angepaßten Tauchsieder mit betriebssicherer Überhitzungs-Abschaltautoma-Bts 1 BIa / 8.2.197%_09833/(U10

tik anzugeben.

Diese Aufgabe v/ird mit einem wie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Tauchsieder erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem an sich schon seit langer Zeit bekannten Heizelement mit Kaltleitermaterial ein sicherer Abschalteffekt erst dann zu erreichen ist, wenn bestimmte, relativ eng begrenzte Bemessungen und richtig verteilte Wärmeabfuhr für den Körper aus Kaltleitermaterial eingehalten werden. Zum einen ist dies die Dickenabmessung des platten- bzw. scheibenförmigen Kaltleiterelementes. Zum anderen ist aber auch der spezifische Widerstand im Rahmen des durch die Gleichung angegebenen Wertes zu halten, wobei in dieser Gleichung U die vorgegebene Betriebsspannung ist. Für diese kommen nicht nur die Werte 220 und 110 YoIt in Betracht, sondern insbesondere interessieren auch Spannungswerte von 12 Volt und 24 ToIt für den Betrieb des erfindungsgemäßen Tauchsieders in Personenwagen, Reise-Wohnmobile, Reisebusse u. dergleichen. Hinzukommt, daß die spezifische Wärmeabfuhr aus dem Kaltleiterkörper über alle wesentlichen Flächen dieses Körpers gleich groß zu machen ist. Maximale spezifische Wärmeabfuhr bei inhomogener Verteilung tritt demgegenüber in den Hintergrund.

Gerade in Fahrzeugen kommt es auf eine sichere Abschaltautomatik an, da dort besonders wenig Platz für ein gefahrloses Ablegen eines Tauchsieders vorhanden ist. Für die Abschalttemperatur T_A ist die gewünschte Maximaltemperatur einzusetzen, die z.B. zum Erhitzen von Wasser praktisch 100⁰C beträgt. Die Curie-Temperatur Tp, die mit dem ausgewählten Kaltleitermaterial

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an sich materialspezifisch festgelegt ist, soll wenigstens 5O°K größer als die vorgegebene Abschalttemperatur T_A sein. Die Curie-Temperatur T_c soll aber mit Rücksicht auf die zu vermeidende Brandgefahr nicht mehr als etwa 25O°C betragen. Für das Kaltleitermaterial kommt dafür seit langem bekanntes Bariumtitanat in Frage, das zur Wahl der Curie-Temperatur Tp substituiert und für geforderten spezifischen Widerstand in an sich bekannter Weise dotiert ist. Für höhere Curie-Temperatur eignet sich insbesondere Blei-Substitution. (Siehe auch Saburi, J.Phys.Soc.Jap., Bd.14 (1959), S.1159-74.)

In dem im Patentanspruch enthaltenen Zahlenwert 0,08 ist eine für die Erfindung ebenfall sehr wichtige Größe berücksichtigt, nämlich der Wärmewiderstand des Kaltleitermaterials. Da dieser für Kaltleitermaterial im Rahmen der erfindungsgemäß eingeschränkten Bemessung in für die Erfindung tragbar nur engem Rahmen variiert, ist es möglich, diese weitere, erfindungsgemäß zu berücksichtigende physikalische Größe als feste Zahl vorzugeben.

Die Heizleistung läßt sich durch Wahl der gegenüber der Dicke noch freien Abmessungen des Kaltleiterkörpers bemessen.

Ein Tauchsieder mit erfindungsgemäß gewählter Bemessung und mit T. = 100° und T_n = 220⁰C kann selbst bei einer Betriebsleistung von 500 Watt für das Aufheizen von Wasser sogar auch auf leicht brennbarer Unterlage abgelegt werden, da seine Temperatur selbst bei vollständigem Wärmestau, z.B. unter einer Decke oder einem Kissen, einen Wert von 300⁰C nicht übersteigen kann. Grund dafür ist die entsprechend der erfindungsgemäßen Bemessung eintretende eng bemessene Selbstbegrenzung des Temperaturanstiegs im wie erfindungsgemäß bemessenen verwendeten Kaltleitermaterial. Dazukommt, daß selbst bei Ver-

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sagen der SeIbstbegrenzung ein im Ealtleiterelement rasch eintretendes, örtlich sehr eng begrenztes Durchbrennen des Materials auftreten würde, auf das die elektrische Sicherung des Stromversorgungskreises nit sofortigem Abschalten anspricht. Es treten bei diesem lediglich als Extremfall und doppeltem Schutz anzusehenden Durchbrennen des Kaltleiterelementes Stromstärken auf, die wenigstens um den Faktor 10 größer als die Betriebsstromstärken sind, somit also wie üblich durch einfache Schmelzsicherungen abgesichert werden können.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus einem nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

Fig.1 zeigt eine erste Ausfnhrungsform eines erfindungsgemäßen Tauchsieders,

Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform und Fig.3 zeigt ein Diagramm über das Temperaturverhalten.

Mit 1 ist der gesamte erfindungsgemäße Tauchsieder bezeichnet. Sein Gehäuse, z.B. aus Aluminium, hat das Bezugszeichen 2. In der Figur ist dieses Gehäuse 2 im Längsschnitt dargestellt. Ist dieses Gehäuse 2 vorzugsweise kreisrund, liegt die mit k angedeutete Achse in der Darstellungsebene.

In dem Innenraum des Gehäuses 2 befindet sich,v/ie speziell aus der Figur näher ersichtlich, eine erfindungsgemäß dünn bemessene Scheibe aus Kaltleitermaterial. Diese hat auf ihren beiden zur Darstellungsebene der Figur senkrecht stehenden Großflächen 61 und 62 Metallelektroden 8, 10, die ganzflächige Stromzuführung in die Scheibe 6 ermöglichen.

Das Gehäuse 2 ist mit einem Deckel 12 flüssigkeitsdicht

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verschlossen, z.B. durch Einpressen desselben. Zwischen den äußeren Oberflächen der Elektroden 8 und 10 und den gegenüberliegenden Innenflächen des Gehäuses 2 und des Deckels 12 ist bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel eine schichtförmig ausgebildete elektrische Isolation aus Aluminiumoxid vorgesehen. Diese Isolationsschichten sind mit 14, 16 bezeichnet.

Vorteilhafterweise ist wie aus der Figur ersichtlich zwisehen der jeweiligen Elektrode 8 bzw. 10 und der jeweiligen Isolationsschicht 14,16 eine Eblie 81 bzw. 101 aus Blei eingefügt, bei der es auf die duktile Eigenschaft des Materials als zu gewissem Grade elastisches Polster zwischen der Scheibe 6 aus Xaltleitermaterial und den — vergleichsweise zu Blei — relativ harten Materialien des Gehäuses 2, des Deckels 12 und der Isolationsschichten 14, 16 ankommt.

Mit 20 und 22 sind Zuleitungen bezeichnet, die von den ■ Elektroden 8, 10 ausgehend durch einen rohrförmigen Ansatz 24 des Gehäuses 2 hindurch nach außen führen. An diese Zuleitungen 20, 22 kann die vorgesehene Betriebsspannung angeschlossen werden.

Für einen mit Niedervolt-Spannung, wie 12 Volt oder 24 Volt, zu betreibenden Tauchsieder kann die Stromzuführung zu einer der beiden Elektroden 8, 10 auch über das Gehäuse selbst erfolgen. Dazu braucht dann nur auf einer der beiden Seiten die Isolationsschicht 14 oder die Isolationsschicht 16 weggelassen werden, so daß dort entweder das Gehäuse 2 oder der Deckel 12 unmittelbar an der Bleifolie 81 bzw. 101 mit elektrischem Kontakt anliegen. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig.2,in der dieselben Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet worden sind. Mit 120 ist der am Gehäuse angebrachte Anschluß bezeichnet.

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Für einen wie erfindungsgemäßen Tauchsieder ist es wichtig, daß nicht nur möglichst guter, sondern auch möglichst gleichmäßiger Wärmekontakt τοπ beiden Großflächen 61, 62 der Scheibe 6 in das Gehäuse 2 bzw. in den Deckel 12 vorliegt und die Außenseiten von Gehäuse 2 und Deckel 12 ebenso gleich guten Wärniekontakt zur beheizenden Flüssigkeit haben. Wegen der·prinzipiell guten Wärmeleitungseigenschaft des Aluminiumoxids und der gering zu bemessenden Dicke dieser Schicht spielt die für beide Seiten der Scheibe 6 vorliegende Unterschiedlichkeit des Aufbaues bei der voranstehend für Niedervolt-Spannung möglichen Ausführungsform der Erfindung noch keine Rolle.

Fig.3 zeigt ein Diagramm, aus dem das Verhalten eines wie erfindungsgemäßen Tauchsieders zu ersehen ist, und zwar im speziellen zum Zweck der Erläuterung seines Verhaltens, wenn der Tauchsieder im eingeschalteten Zustand sich nicht mehr in der Flüssigkeit befindet. Ein soleher Fall ist der bereits oben erwähnte Umstand, daß ein wie erfindungsgemäßer Tauchsieder im nicht abgeschalteten Zustand versehentlich auf einer relativ leicht "brennbaren Unterlage — möglicherweise sogar verbunden mit Wärmestau - abgelegt wird.

Auf der Abszisse ist in Fig.3 die Temperatur und auf der Ordinate sind Wärme-Leistungswerte aufgetragen. Mit 51, 52 und 53 sind Kurven für das Maß der Wärmeerzeugung eines wie erfir.dungsgemäßen Tauchsieders bezeichnet, und zv/ar einem solchen mit anspruchsgemäß genau eingehaltenen, spezifischen Widerstand ^ (Kurve 51) und mit dazu 0,5"·^Tr kleinerem (Kurve 52) und mit 2·^^, größerem (Kurve 53) spezifischen Widerstandswert des Kaltleitermaterials mit einer Curie-Temperatur von 220°.

Diese drei Kurven 51, 52 und 53 repräsentieren den anspruchsgemäß berücksichtigten Toleranzbereich. Bei

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diesen Kurven handelt es sich um die im Kaltleitermaterial erzeugte eleirtrische Leistung. Mit 54· ist eine Kurve bezeichnet, die die Wärme-Abgabeleistung eines v/ie erfindungsgemäßen, den Ausführungsbeispielen entsprechend ausgebildeten Tauchsieders bei Siedetemperatur wiedergibt. Die Kurve 54- gilt naturgemäß für die drei Kurven 51 bis 53. Mit 55 ist der Schnittpunkt zwischen der Kurve 51 und der Kurve 54- bezeichnet. Der zum Punkt 55 gehörige Temperaturwert ist diejenige maximale Temperatur, auf die sich der Tauchsieder, in die siedende Flüssigkeit eingetaucht erhitzen kann.

Mit 56 ist eine der Kurve 54- entsprechende Kurve bezeichnet, die für den Tauchsieder gilt, wenn er sich außerhalb der Flüssigkeit in Luft befindet. Dieses wäre beispielsweise der Fall, v/enn die Flüssigkeit im Behälter restlos verdampft ist. Mit 57 ist der 55 entsprechende Temperaturwert kenntlich gemacht, auf den sich nunmehr der Tauchsieder maximal erhitzt. ¥egen des steilen Abfalles der Kurven 51, 52 und 53 in dem für diese Zustandsänderung kritischen Bereich — die Lage dieses Bereiches ist aufgrund der erfindungsgemäßen Widerstandsbemessung gegeben — ist der Temperaturanstieg vom Punkt 55 auf den Punkt 57 relativ gering.

Mit 53 ist eine weitere, den Kurven 54· und 56 entsprechende Kurve bezeichnet, die für den Fall auftretenden Wärmestaues gilt, d.h. wenn sich der erfindungsgemäße Tauchsieder im eingeschalteten Zustand in einem abgedeckten Zustand befindet. Der Punkt 59 ist wiederum der maximal erreichbare Temperaturwert. Auch dieser Temperaturwert liegt nicht erheblich über dem bei normalem bestimmungsgemäßen Betrieb vorgesehenen Temperaturwert des Punktes 55.

Mit 157 und 257 sind zum Punkt 57 gehörige Punkte für

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Maximaltemperaturen bezeichnet, die bei entsprechend größerem oder kleinerem spezifischen Widerstandswert erreicht werden.

Mit dem Punkt 159 ist der dem Punkt 59 entsprechende maximale Temperaturwert kenntlich gemacht. Für einen spezifischen Widerstandswert, der 0,5 mal niedriger als der erfindungsgemäß angegebene Sollwert liegt, ergibt sich in dieser Darstellung kein Schnittpunkt der Kurve 52 mit der Kurve 58. Beim Fall dieser speziellen Bemessung, d.h. bei dieser speziellen Lage der Kurven und 58 zueinander, ergibt sich folgendes: Bei Wärmestau erhitzt sich ein mit (O,5*5^?llfc ) bemessener erfindungsgemäßer Tauchsieder zunächst bis zu dem Temperaturwert, der dem Punkt 60 entspricht, der das Minimum der Kurve 52 ist. Yon diesem Punkt an steigt wieder die Leistungserzeugung des Tauchsieders infolge eines auf negativer Temperaturcharakteristik beruhenden starken Leitfähigkeitsanstiegs. Das entspricht der oben bereits erläuterten zweiten Sicherheit des erfindungsgemäßen Tauchsieders. Vom Punkt 60 ab ergibt sich aber eine innerhalb von msec ablaufende Temperaturerhöhung im Kaltleitermaterial, die zu dem oben beschrieb'enen sofortigen Durchbrennen des Tauchsieders mit Abschalten der üblichen Stromkreis-Sicherung führt. Dieser äußerst rasch ablaufende Endzustand ist durch das Abbrechen der Eurve 52 in der Darstellung der Fig.3 charakterisiert. Die für diesen Bereich zwischen dem Punkt 60 und dem Ende der Kurve 52 zugehörigen Temperaturwerte sind im Impulsbetrieb ermittelt. Bei normalem Betrieb läßt sich diese Temperaturerhöhung überhaupt nicht feststellen, da diese gesteigerte Wärmeerzeugung infolge der Kurzzeitigkeit gar nicht bis zur Oberfläche, d.h. nach außen, dringt.

Je nach Bedarf läßt sich, wie aus der Fig.3 ersichtlich,

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ein wie erfindungsgemäßer Tauchsieder so bemessen, daß er sogar einen an sich nicht vorgesehenen Betrieb mit Wärmestau ohne Schaden übersteht oder daß der erfindungsgemäße Tauchsieder bei einem Wärmestau, z.B. bei einem unachtsamen Ablegen unter einer Decke, durchbrennt, so daß so.^ar für den Extremfall, etwa Telativ leichte "Brennbarkeit des umgebenden Materials, Brandsicherheit gewährleistet ist.

Praktische Versuche sind mit einem wie erfindungsgemäßen Tauchsieder mit TC = 220⁰C und mit 500 Watt Heizleistung (im Bereich bis zur Siedetemperatur 100⁰C) durchgeführt worden. Ein solcher Tauchsieder wurde unter Betriebsspannung auf einer dickeren Unterlage aus Papier abgelegt und zudem noch mit einem Geschirr-Abtrockentuch aus Baumwolle zugedeckt. Es ergab sich nach längerer Einschaltzeit lediglich eine Braunfärbung von Papier und Tuch. Dieser Versuch bestätigt das erreichte Maß relativer Brandsicherheit bei versehentlich unsachgemäßer Handhabung. Selbstverständlich soll auch ein wie erfindungsgemäßer Tauchsieder bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch von der Betriebsspannung abgetrennt werden. ■

Für die Elektroden 8 und 10 eignet sich z.B. Aluminium. Es kann auch eine dünne Schicht aus Silber verwendet werden, deren an sich bekannte Sperrschichtwirkung auf einem solchen Kaltleitermaterial bei den in Frage kommenden elektrischen Betriebsspannungen unwirksam wird.

Für die Wahl des Leistungswertes eines erfindungsgemäßen Tauchsieders steht die Flächenabmessung (der Flächen 60 bzw. 61) zur Disposition. Für 500 Watt Leistung des oben beschriebenen Beispiels hat die Fläche 60 eine Größe von ca. 800 mm bei 1,5 mm Dicke.

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Claims

78 P 7 0 0 3 3RD Patentansprüche

1. Tauchsieder mit einem in die zu beheizende Flüssigkeit einzutauchenden Gehäuse mit darin elektrisch isoliert angebrachtem, mit elektrischen Anschlüssen versehenem Heizelement, das guten Wärmekontakt zur Gehäuse-Heizfläche hat, gekennzeichnet dadurch , daß für das zusätzliche Vorhandensein einer Überhitzungs-Abschaltautomatik das Heizelement ein Kalt leiter aus ferroelektrischem keramischen Material ist und die Form eines 0,5 bis 2 mm dicken Flachkörpers (6) hat, auf dessen einander gegenüberliegenden Großflächen (61, 62) Stromzuführungselemente (8, 10) großflächig angebracht sind, daß beide Großflächen im wesentlichen · gleich großen Wärmekontakt mit den Gehäuse-Heizflächen haben und daß das Kaltleitermaterial eine um wenigstens 50⁰K oberhalb der vorgegebenen Abschalttemperatur T^ liegende Curie-Temperatur T« und einen spezifischen Widerstand

_c ⁼ 0,08(T_c-T_A;

mit einer Toleranzbreite von etwa 0,5 bis 2) . ^_T(~, bei Curie-Temperatur hat, worin U die vorgegebene Betriebs spannung ist.

2. Tauchsieder nach Anspruch 1, gekennzeich net dadurch, daß die Curie-Temperatur T_c des verwendeten Kaltleitermaterials weniger als etwa 250° ist,

3. Verwendung des Tauchsieders nach Anspruch 1 oder 2 für Betriebsspannung 12 Volt mit einem spezifischen Wi derstand fm des Kaltleitermaterials zwischen 10 und

C
50 0hm·cm.

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4. Verwendung des Tauchsieders nach Anspruch 1 oder 2 für Betriebsspannung 24 ToIt mit einem spezifischen Widerstand <$ _T des Kaltleitermaterials zwischen 30 und 150 Ohm-cm.^C

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