DE2814085A1

DE2814085A1 - Frei expandierbares folienheizelement

Info

Publication number: DE2814085A1
Application number: DE19782814085
Authority: DE
Inventors: Bohdan Hurko
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1978-04-01
Publication date: 1978-10-12
Also published as: US4150280A; AU3416678A; FR2386956A1

Description

Frei expandierbares Folienheizelement

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des elektrischen Kochens und insbesondere auf die Verwendung von geätzten Folienheizeleiuenten mit einer massiven, geräteabstützenden Abdeckplatte .

Massivplatten-Oberflächenheizeinheiten und -Kochteile bzw. Kochfelder (cooktops) wurden mit temperaturbeständigen Glas-Keramik-Platten vorgeschlagen, bei denen Filmheizelemente aus Edelmetall direkt mit der Unterseite der Platten verbunden waren. Drei Beispiele für Filmheizelemente benutzende Glas-Keramik-Heizeinheiten sind in den US-Patenten 3 o67 315, 3 883 719 und 3 813 52o dargestellt. Diese Filmheizelemente haben eine serpentinenartige Form und sind direkt mit der Platte verbunden. Sie bilden ein/ziemlich wirkungsvolles Heizsystem für Glas-Keramik-Oberflächenheizeinheiten oder Kochfelder da die Filmstreifen eine sehr kleine thermische Masse und eine gute thermische Kopplung mit der Platte haben, was zu einem schnellen Ansprechverhalten beim Aufwärmen und Abkühlen führt. Das Filmheizelement speichert sehr wenig Wärme und strahlt sehr wenig Wärme nach unten ab, und zwar wegen seiner ein geringes Emissionsvermögen aufweisenden Oberfläche. Ein Nachteil bei der Verwendung von Filmheizelementen für

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Massivplatten-Oberflächenheizeinheiten sind die relativ großen Kosten des Filmmaterials, da dieses aus Edelmetallen, wie Gold und Platin, besteht.

Geätzte Folienheizelemente für eine Verwendung bei Massivplatten-Oberflächenheizmitteln, die bei niedrigen Temperaturen unter etwa 23o° C (45o° F) betrieben werden, sind von der Safeway Products, Inc., Middletown, Connecticut, erhältlich. Solche Folienheizelemente sind bei niedrigen Temperaturen höchst zuverlässig, und ihre Kosten liegen stark unter denjenigen von Filmheizelementen. Ein Beispiel für geätzte Folienheizelemente ergibt sich aus dem US-Patent 3 869 596. Dieses Patent zeigt eine Glas-Keramik-Platte mit einem geätzten Folienheizelement, das zwischen zwei Schichten aus dielektrischem Material gebunden ist. Dieses geschichtete Heizelement ist direkt mit der Unterseite der Glas-Keramik-Platte verbunden.

Dieses direkte Verbinden des geschichteten Folienheizelements mit der Abdeckplatte ist ein Nachteil, da hierdurch die Art des verwendbaren Folienmaterials auf eine Metallfolie mit einer niedrigen Wärmeausdehriung beschränkt ist, weil das Material an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glas-Keramik-Platte angepaßt werden muß. Dieses wiederum beschränkte die Anwendung von geätzten Folienheizelementen auf einen relativ niedrigen Temperaturbereich mit einem Maximum von etwa 23o° C (45o° F). Darüberhinaus wurde bei bekannten Folienheizern ein flexibler, unter Wärme abbindbarer organischer Klebstoff zum Herstellen einer festen Bindung benutzt, was wiederum den Folienheizer auf Anwendungsfälle mit niedriger Temperatur beschränkte. Bei höheren Temperaturen erfolgen ein Verkohlen des Klebstoffs und ein Entstehen von Kurzschlüssen zwischen den angrenzenden Windungen des Folienheizelements, wie es beim überprüfen von bekannten Vorrichtungen festgestellt wurde.

Das US-Patent 4 o32 75o beschreibt ein geätztes Folienheizelement, das von der den Kochtopf tragenden Abdeckplatte getrennt ist und für hohe Temperaturen im Bereich von 68o° C (125o° F) dient. Diese bekannte Konstruktion hatte Mittel, die es zuließen, daß sich der widerstandsbehaftete Folienheizer bei den Betriebstemperaturen frei in bezug auf seine abstützenden Isolationsschich-

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tungen ausdehnte. Bei der bekannten Konstruktion wurde auch ein anorganisches Hochtemperatur-Bindungsmittel zum Verbinden des widerstandsbehafteten Folienheizelements mit dem dielektrischen Substrat benutzt. Das letztere war direkt an der Unterseite der Abdeckplatte angeordnet, jedoch nicht mit dieser verbunden, und das widerstandsbehaftete Folienmittel war an der Unterseite der dielektrischen Schicht angeklebt. Die bevorzugte Ausführungsform dieser bekannten Heizeinheit hatte ein zweites dielektrisches Substrat, das mit der Unterseite des widerstandsbehafteten Folienmittels wie auch mit der ersten dielektrischen Schicht verbunden war, um ein flexibles, geschichtetes Heizelement zu bilden.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Massivplatten-Oberflächenheizeinheit mit einem separaten, flexiblen, isolierten Folienheizelement für eine Verwendung bei hohen Temperaturen im Bereich von 68o° C (125o° F) vor, wobei sich die Folie während des Wärmezyklus des Heizelements frei mit einem keramischen Faserpapiersubstrat ausdehnen kann.

Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Massivplatten-Oberflächenheizeinheit der beschriebenen Art vor, wobei ein anorganisches Bindungsmittel mit einer großen Wärmeleitfähigkeit und einem großen elektrischen spezifischen Widerstand benutzt wird, um für einen vergrößerten Wärmefluß zu der geräteabstützenden Abdeckplatte zu sorgen.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet gemäß einer Ausführungsform eine ebene Plattenoberflächenheizeinheit mit einer oberen geräteabstützenden Abdeckplatte und einem widerstandsbehafteten Folienheizelement, das von einem flexiblen Substrat aus keramischem Faserpapier getragen wird und hiermit mittels eines temperaturbeständigen anorganischen Zements bzw. Bindemittels verbunden ist. Dieses anorganische Bindungsmittel hat eine große thermische Leitfähigkeit und einen großen elektrischen spezifischen Widerstand. Es bildet über»der oberseitigen Oberfläche des Folienheizelements eine elektrische Isolationsschicht und befindet sich in direktem Kontakt mit der Unterseite der Abdeckplatte, ohne hiermit verbunden zu sein. Ein Abstützungsmittel aus dielektrischem Material ist unter dem keramischen Faserpapiersubstrat angeordnet, und es wird ein konstanter Druck ausgeübt, um eine Preßkraft zu

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liefern und eine gute Wärmekopplung des widerstandsbehafteten Folienheizelements mit der Abdeckplatte sicherzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - einen fragmentarischen Querschnitt durch eine Seite

eines Glas-Keramik-Kochteils, das ein geätztes Folienheizelement nach der vorliegenden Erfindung aufweist, Figur 2 - einen fragmentarischen, vergrößerten, auseinandergezogenen Schnitt eines Teils der Abdeckplatte zum Aufzeigen des geätzten Folienheizelements, welches auf einem keramischen Faserpapiersubstrat abgestützt und hiermit mittels eines anorganischen Zements verbunden ist, welcher eine das Folienheizelement überlagernde Isolationsschicht bildet und sich in direktem Kontakt mit der Unterseite der Glas-Keramik-Abdeckplatte befindet, ohne hiermit verbunden zu sein, und wobei ein Abstützungskissen aus dielektrischem Material unter dem keramischen Faserpapiersubstrat liegt,

Figur 3 - in einer vergrößerten fragmentarischen Draufsicht zwei angrenzende Windungen eines geätzten Folienheizelements bekannter Art, wobei die Folie während des Wärmezyklus Falten gebildet hat, was auftreten kann, wenn das Folienheizelement dauerhaft mit dem Substrat an zwei unter Abstand angeordneten Punkten fest verbunden wird, so daß der unmittelbare Bereich des Folienheizelements zwischen den zwei Punkten an einem freien Expandieren gehindert / und somit von dem Substrat ausbricht und eine Faltenkanfiguration annimmt, die sich seitwärts verschieben kann, wobei Heißstellen entstehen und schließlich ein vorzeitiges Ausfallen erfolgen können, und

Figur 4 - in einer Seitenansicht eines der mit Falten versehenen Folienheizsegmente aus Figur 3. /wird

In den Zeichnungen und insbesondere in Figur 1 ist ein Teil eines elektrisch erwärmten Glas-Keramik-Kochteils (cooktop) dargestellt, welches in eine Küchenherdplatte (countertop) 12 eingebaut ist. Es ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung

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eines neuen geätzten Folienheizelements auch in einem Massivplattenkochteil über einem elektrischen Herd oder in einer einzelnen Oberflächenheizeinheit oder in einem Kocher (hotplate) angewendet werden könnte. Das Kochteil 1o hat ein flaches Einbau- oder Aufnahmebehältnis (mounting or rough-in box) 14 mit einer Bodenwand 16, mit vertikalen Seitenwänden 18 und mit einer offenen Oberseite, die durch eine dünne, geräteabstützende Glas-Keramik-Platte 2o verschlossen werden kann. Die Platte 2o kann eine einzige große Platte zum Unterbringen von vier Oberflächenheizeinheiten oder eine Reihe von entweder zwei mittelgroßen doppelten Platten oder von vier kleineren einzelnen Platten sein. Ein solches Glas-Keramik-Plattenmaterial ist kristallines bzw. kristallartiges Glas, das allgemein undurchsichtig ist und aus Lithiumoxid-Aluminiumoxid-Silikaten mit einem sehr niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten besteht. Beispielsweise wird ein solches Material unter den Handelsbezeichnungen PYROCERAM, CER-VIT und HERCUVIT vertrieben. Neueren Ursprungs sind dunkel abgetönte Glas-Keramik-Platten, die in bezug auf den sichtbaren Teil der Strahlungsenergie halbdurchlässig sind und die Heizschlangen im eingeschalteten Zustand sichtbar machen.

Diese Glas-Keramik-Platte 2o hat eine glatte oberseitige Oberfläche und kann leicht gereinigt werden. Die Platte ermöglicht darunter kein Abfließen von verspritzten oder verschütteten Teilen, wie es bei normalen Kochteilen bzw. -platten auftritt, bei denen spiralförmige Schlangen aus metallummantelten elektrischen Widerstandsheizelementen benutzt werden. Während die Glas—Keramik-Platte 2o dargestellt ist, ist es für den Fachmann klar, daß eine solche massive Platte im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus Metall oder einem anderen hochtemperaturbeständigen Material bestehen könnte.

Zuerst wird ein Teil der Umgebung erläutert, in der das Folienheizelement nach der vorliegenden Erfindung eingebaut wird. Ein Umfangsabsatz oder -flansch 22 ist um den oberen Rand der vertikalen Wände 18 des Aufnahmebehältnisses 14 verlaufend ausgebildet und dient als ein Abstützungsmittel für den Rand der Glas-Keramik-Platte 2o. Je nach Bedarf können andere Stützränder nahe dem Zentrum des Behältnisses vorgesehen sein. Der Umfangsrand der Glas-

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Keramik-Platte 2o ist mit einem elastischen, herumgewickelten und den Rand schützenden Abdichtungsglied 24 versehen, das als elastischer Sitz und als Feuchtigkeitsbarriere dient. Ein Einfaßrahmen 26 mit T-förmigem Querschnitt umgibt den Umfang des Behältnisses 14 und dient als das Abstützungsmittel für das Behältnis in einem Öffnungsausschnitt der Herdplatte 12, wie es üblich ist;

Das Kochteil 1o kann eine Vielzahl von Heizmitteln haben. Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist wie in Figur 1 nur eine Oberflächenheizeinheit 34 dargestellt. Diese hat ein Heizmittel 38 in Form eines dünnen, flexiblen, dielektrischen Blattes 42, das ein geätztes, widerstandsbehaftetes Folienheizglied 44 abstützt, wie es am besten aus Figur 2 ersichtlich ist. Das dünne dielektrische Blatt 42 ist vorzugsweise ein weiches, keramisches

(Fiberpapier)
Faserpapierymit einer Dicke zwischen etwa o,8 und 3,175 mm (1/32¹¹-1/8"). Das widerstandsbehaftete Folienheizglied 44 hat eine Schlangenkonfiguratxon und vorzugsweise eine spiralförmige Schlange, die durch ein anorganisches Bindemittel 46 an dem Substrat 42 angeklebt ist. Vorzugsweise wird das organische Bindemittel 46 über die Oberseite des Folienheizelements 44 verteilt, wobei es den Raum zwischen angrenzenden Windungen ausfüllt und auch eine isolierende Schicht an der Oberseite des Folienheizelements wie bei 48 bildet.

Geeignete anorganische Bindemittel können Natrium7 Kalium- oder Aluminiumsilikate enthalten, die Temperaturen mit einer maximalen Grenze im Bereich von 675 C (125o F) aushalten können. Eine bevorzugte Ausführungsform eines anorganischen Klebmittels enthält ein Bindemittel mit Magnesiumoxid oder Zirkonpulver, das eine große thermische Leitfähigkeit wie auch einen großen elektrischen Widerstand hat, um die Wärmeenergie an die Glas-Keramik-Abdeckungsplatte 2o zu liefern, während es gleichzeitig die Abdeckplatte 2o in bezug auf eine elektrische Ableitung isoliert.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung beruht auf der Verwendung des keramischen Faserpapiersubstrates 42, das unter der Handelsbezeichnung 'Fiberfrax' von der Carborundum Company of Niagara Falls, New York, vertrieben wird. Dieses keramische Fiberpapier hat eine Dauerverwendungsgrenze von etwa 126o C (23oo F) und einen Schmelzpunkt von etwa 1793 C (326o F). Es hat eine

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Dichte von ο,19 Gramm pro Kubikzentimeter (1o bis 12 lbs/cu ft). Die vorliegende Anmeldung beinhaltet eine verbesserte Modifikation des US-Patents 4 o32 75o. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform dieses Patents sind Micamet Isolationsblätter vorhanden/ die etwas steif und brüchig im Gefüge sind, und zwar im Vergleich zu dem keramischen Faserpapier 42 der vorliegenden Erfindung, das ein weiches Polstergefüge und eine Vielzahl von Fasern hat/ welche sich in bezug aufeinander verschieben können und dadurch keine Zwangshaltekraft auf das Folienheizelement 44 ausüben, was sonst eine Faltenbildung der Folie während des Wärmezyklus ermöglichen würde, wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.

Bei der vorliegenden Erfindung kann sich das Folienheizelement während des Wärmezyklus über seine gesamte Längserstreckung ausdehnen und zusammenziehen, ohne daß Falten der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Art gebildet werden. In dem Fall des Standes der Technik aus den Figuren 3 und 4 erfolgt/ wenn das Folienheizelement 5o Falten bildet/ ein Abtrennen der Folie von dem abstützenden Substrat und auch ein Aufheben der guten thermischen Kopplung mit der Glas-Keramik-Pl'atte 2o. In einem solchen Fall würde die Glas-Keramik-Platte nicht als eine Wärmesenke dienen und die Wärmeenergie von dem mit Falten versehenen Teil des Folienheizelements abziehen, so daß dieses überhitzt würde. Es können sich Überhitzungsstellen ausbilden, die zu einem, vorzeitigen Ausfallen führen. Dieses kann auch angrenzende Windungen des Folienheizelements dazu veranlassen, sich seitwärts zu verschieben und schließlich miteinander zu berühren, wodurch ein Kurzschluß und eine Lichtbogenbildung erzeugt werden. Das Fasersubstrat 42 nach der vorliegenden Erfindung setzt der Ausweitung des Folienheizelements 44 keinerlei Widerstand entgegen? deshalb kann die in Figuren 3 und 4 dargestellte Faltenbildung der Folie bei der vorliegenden Erfindung nicht auftreten.

Das Folienheizelement 44 ist eine dünne Folie mit einer Dicke in der Größenordnung von o,o5 mm (o,oo2 Zoll), die aus Edelstahloder Nichrome-Folie in einer Spiralschlangenkonfiguration ähnlich derjenigen, die bei Filmheizgliedern benutzt wird, geätzt ist. Das anorganische Klebmittel 46 wird mit dem Folienheizelement 44 und mit dem keramischen Faserpapiersubstrat 42 in Bindung ge-

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bracht. Später wird dieser Unteraufbau gegen die Unterseite der Glas-Keramik-Elatte 2o gedrückt, wobei jedoch das anorganische Bindemittel 46 zuerst zum Abbinden gebracht wurde. Es ist nicht klebrig und geht keine Bindung mit der Unterseite der Glas-Keramik-Platte ein.

Das Substrat 42 ist auf einem dicken Kissen aus dielektrischem Material 52 hoher Isolationsqualität, wie Microtherm, abgestützt. Eine reflektierende Folie 54 erstreckt sich über die Unterseite des Kissens 52, um die Wärmeenergie nach oben zu leiten. Dieses isolierende Kissen 52 wird in eine verstärkte Metallreflektormulde 56 eingesetzt, die eine allgemein zylindrische Form hat. Der Boden der Reflektormulde ist zur Vergrößerung der Festigkeit erhaben bzw. geprägt, so daß er bei großen Betriebstemperaturen keinen Ausbauchungseffekt aufweist, sondern allgemein fest bleibt. Die Aufgabe der Mulde besteht darin, das dielektrische Kissen 56 abzustützen und einen konstanten aufwärts gerichteten Druck auf die Heizeinrichtung 34 auszuüben, um sie fest an der Unterseite der Abdeckplatte 2o zu halten. Dieses alles muß bei relativ hohen Temperaturen erfolgen, wenn 'die Heizeinrichtung bei Temperaturen bis zu 68o C (125o° F) arbeiten kann. Sonst würde das Metall dazu neigen, sich in Abhängigkeit von Temperaturänderungen auszuweiten und zusammenzuziehen.

Es ist gut, einen konstanten aufwärts gerichteten Druck gegen die Heizeinrichtung 34 durch das dielektrische Kissen 52 und die Reflektormulde 56 auszuüben, da die Abdeckplatte 2o als eine Wärmesenke dient und Wärme von der Heizeinrichtung abzieht. Wenn eine schlechte thermische Kopplung zwischen der Heizeinrichtung und der Abdeckplatte vorliegen würde, könnten sich ein örtliches Überhitzen der Heizeinrichtung, ein schlechter Wärmewirkungsgrad und eine verkürzte Lebensdauer der Folienhexzeinrichtung einstellen. Der nach oben gerichtete Druck wird von einer Blattfeder 7o gebildet, die an einem in dem Aufnahmebehältnis 14 abgestützten Halte- oder Schienenglied 72 befestigt ist. Eine Befestigungsschraube 74 erstreckt sich durch den zentralen Bereich der Feder und ist in eine öffnung in dem Schienenglied geschraubt.

Die elektrischen Anschlüsse für das Folienheizelement 44 sind nicht dargestellt, da es sich hierbei um übliche Teile

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handelt, die keinen kritischen bzw. wesentlichen Bestandteil der vorliegenden Erfindung darstellen.

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Leerseite

Claims

2814095 4649-9D-RG-13O36 General Electric Company Ansprüche

1.) Heizeinheit mit einer ebenen Plattenoberfläche, gekennzeichnet durch eine obere als Geräteabstützung dienende Abdeckplatte (2o) aus wärmeleitendem Material/ durch ein widerstandsbehaftetes Folienheizelement (44), das von einem flexiblen Substrat (42) aus keramischem Faserpapier getragen und hieran mittels eines anorganischen Hochtemperatur-Bindemittels (46) gebunden ist, welches eine große thermische Leitfähigkeit sowie einen großen elektrischen spezifischen Widerstand hat, welches ferner eine elektrische Isolationsschicht (48) über der oberseitigen Oberfläche des Folienheizelements (44) bildet und welches sich in direktem Kontakt mit der Unterseite der Abdeckplatte (2o) befindet, ohne hiermit verbunden zu sein, ferner durch ein aus dielektrischem, thermisch nicht leitendem Material bestehendes Abstützungskissen (52), das unter dem keramischen Faserpapiermaterial (42) angeordnet ist, und durch in bezug auf die Abdeckplatte (2o) abgestützte Druckmittel (56), die auf das dielektrische Kissen (52) einen aufwärts gerichteten Druck ausüben, um eine gute thermische Kopplung des widerstandsbehafteten Folienheizelements (44) mit der Abdeckplatte (2o) sicherzustellen.

2. Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Hochtemperatur-Bindungsmittel (46) eine Mischung aus Magnesiumoxidpulver und aus anorganischem Zement ist, um für einen guten Wärmefluß zu der Abdeckplatte (2o) zu sorgen, während ein Stromabfluß zu der Abdeckplatte (2o) verhindert wird.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Heizeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Faserpapiersubstrat (42) während eines Wärmezyklus ein freies Ausdehnen des Folienheizelements (44) zuläßt, um hierdurch eine Faltenbildung der Folie sowie das Erzeugen von heißen Stellen und ein vorzeitiges Ausfallen zu vermeiden.

4. Heizeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Hochtemperatur-Bindungsmittel (46) eine Mischung aus Magnesiumoxid und kolloidalem Siliziumdioxid ist, um für einen guten Wärmefluß zu der Abdeckplatte (2o) zu sorgen, während ein Stromabfluß zu der Abdeckplatte (2o) verhindert wird.

5. Heizeinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Hochtemperatur-Bindungsmittel bzw. Klebmittel (46) Natrium-, Kalium- oder Aluminiumsilikat ist und ein Füllmittel aus Magnesiumoxid oder Zirkon enthält, um die große Wärmeleitfähigkeit und den großen elektrischen spezifischen Widerstand zu erzielen.

Heizeinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Bindungs- bzw. Klebmittel (46) nur den Bereich zwischen angrenzenden Windungen des Folienheizelements (44) ausfüllt und auch die elektrische Isolationsschicht (48) über der oberseitigen Oberfläche des Folienheizelements (44) bildet, um einen elektrischen Leckfluß zu der Abdeckplatte (2o) zu vermeiden.

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