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Elektrisch heizbares Wärmgerät Die Erfindung betrifft ein elektrisch
heizbares Wärmgerat, insbesondere einen Tauchwärmer, dessen in das zu armende Medium
eintauchendes Heizelement relativ zum Medium beabsichtigte Bewegungen, z.B. RUhrbewegungen.,
ausführen kann.
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Ein derartiges Wärmgerät ist z.B. durch das DE-Gbm 8 136 156 bekannt
geworden. Hier wird eine verbesserte Auswertung der installierten Energie dadurch
erreicht, daß das eingetauchte Heizelement als Mediumbeweger ausgebildet ist, wodurch
der WdrmeUbergang vom Heizelement zum Medium zusätzlich intensiviert und eine gleichmässige
W8rmeausbreitung in alle Schichten des Mediums angestrebt wird. Dabei ist es möglich,
beim Bewegen des Heizelementes gleichzeitig mehrere Medium-Komponenten unter Erwärmung
zu mischen. Diese Eigenschaften machen den bekannten Tauchwdrmer inbesondere für
ein rasches und sorgful tiges Erwärmen von flüssiger Baby- und Krankennahrung, im
Bereich vorbestimmter Temperaturen, geeignet. Dabei ist vorgesehen, die Stromaufnahme
des Heizelementes etwa auf 50 bis 100 W zu begrenzen, wodurch der Tauchwärmer im
Sinne der Energieein sparung an die jeweils vorliegende Warmeaufgabe angepaßt werden
kann.
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Diese Möglichkeiten bewähren sich zwar im praktischen Gebrauch des
bekannten Tauchwdrmers. Andererseits hat es sich jedoch gezeigt, daß die thermischen
Funktionen des Gerätes noch in mehre-
ren Beziehungen verbessert
werden mUssen. Dies betrifft insbesondere den thermischen Nutzeffekt und die Sicherheit
gegen schädliches Uberwärmen des Mediums, bzw. den Wartungsaufwand des Gerätes.
Die Erfindungsaufgabe besteht daher insbesondere darin, Mittel zu finden welche
die exakte Einhaltung eines vorbestimmten Erwärmungsbereichs zuverlässig sichern
und gleichzeitig die wartungsfreie und unschädliche Einhaltung einer unteren und
oberen Temperaturstufe gewährleistet, welche zum Warmhalten und zur Zubereitung
des Mediums bei minimalem Stromverbrauch dient.
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Erfindungsgemdß wird dies bei einem Wdrmgerdt der vorliegenden Art
dadurch erreicht, daß das Heizelement zur selbst Wtigen Abregelung seiner Heizleistung
auf ein vorgesehenes oberes und unteres Temperatur-Niveau im Medium, mit Kaltleiter-Thermistoren
(PTC-Element) versehen ist, deren Bezugstemperatur so gewählt ist, daß sie gleich
oder kleiner ist, als die bei einer Relativbewegung zwischen Heizelement und Medium
erzielbare Endtemperatur.
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Das Wirkungsprinzip des Kaltleiters, das z.B. im Datenbuch 1980)81
der Firma Siemens ab Seite 18 beschrieben ist, besteht darin, daß der Kaltleiter
durch seinen positiven Temperaturkoeffizienten beim Entwärmungsvorgang seine Leistungsaufnahme
bei steigender Temperatur zunächst erhöht und bei einem Maximum (Bezugstemperatur)
beibehalt, so lange der Entwarmungsgrad im Medium. konstant ist. Diesen Vorgängen
entspricht auch die Stromaufnahme.
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Wesentlich fUr den vorliegenden Anwendungsfall ist der besondere Effekt,
daß bei einem RUhr- und Mischvorgang'im Medium vom Heizelement in erhöhtem Maße
Wärme an des Medium abgegeben wird, wobei die leistungsoufnahme des Heizelementes
ansteigt. Wird der RUhrvor5ang unterbrochen, so bildet sich nach einer gewissen
Zeit ein Wärmestau im Mantelbereich des Heizkörpers, so daß das PTC-Element bei
Erreichen einer Sdttigungstemperatur die Leistungsaufnahme selbsttätig bis zu einer
bleibenden unteren Grösse der abgestrahlten Wärmemenge senkt.
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Dieser untere Temperaturbereich im PTC-Effekt ist vorbestimmbar und
wird im erfindungsgemössen Anwendungsfall immer so ausgewöhlt, daß diese Temperaturstufe
gleich oder kleiner ist als die eingestellte Maximaltemperatur, welche bei Relativbewegungen
zwischen Heizelement und Medium, also beim UmrUhren, angestrebt wird.
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Der erfindungsgemd.sse Einsatz des PTC-Heizelementes bei Tauchwärmers
der eingangs definierten bekannten Art ergibt also neben den bewährten brauchbaren
bekannten Funktionen noch zusd.tzliche Eigenschaften, die in vorteilhafter'Weise
die vorliegende Erfindungsaufgabe lösen. Dabei ist insbesondere erreicht, daß bei
bewegtem Heizelement bzw. Medium durch erhöhte Leistung des Heizelementes die spezifische
Erwärmungszeit gesenkt wird, wobei andererseits diese Leistung in Abhängigkeit von
der Temperatur im äusseren Mantelbereich des Heizelementes bis zu einer unteren
eingestellten Bezugs temperatur selbsttdtig abgeregelt
wird. Da
in diesem vorbestimmten Temperaturbereich keine Uber-oder Unterwörmung des Mediums
eintreten kann, ist durch die selbsttätige Anpassung der aufgenommenen Leistung
an das Temperaturgefälle zwischen oberer Endtemperatur und unterer Bezugstemperatur
der effektive Nutzungsgrad des Heizelementes optimal. Außerdem kann das Gerät wartungsfrei
sich selbst Uberlassen werden, da keine Gefahr des Uberhitzens oder Erkaltens des
Mediums besteht, wobei das bloße Warmhalten bei minimaler Stromaufnahme gewährleistet
ist.
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Die Effektivität des PTC-bestUckten Heizelementes ist in hohem Maße
auch von seiner wärmeabstrahlenden Oberfldchenform abhängig, Bei den bekannt gewordenen
Ausbildungsformen ist das Kaltleiterelement mit seinen Elektroden so geformt und
in das Heizgerät eingebaut, daß Zonen grösserer Wandstärken mit stark verminderter
Wärmeabstrahlung vorhanden sind. Dies wirkt sich bei einem Wörmgeröt der vorliegenden
Art wegen der Wdrmezeitverlungerung nachteilig aus, insbesondere auch weil dadurch
der thermische Regeleffekt gebremst wird, was dem Gesamt-Nutzeffekt schadet.
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Dadurch ist z.B. auch beim gleichzeitigen Mischen und Wärmen des Mediums
ein gleichmössiges Durchwörmen der Mischkomponenten erschwert, wodurch ein zusätzlicher
Zeitaufwand fUr eine homogene Aufbereitung des Gemischs entstehen kann.
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Eine ergänzende Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, durch geeignete
Gestaltung des PTC-Elementes und seiner Ummantelung eine rundum gleichmössig intensive
Wdrmeabstrohlung des HeizT elementes zu gewährleisten und dadurch einen hohen Nutz-
und
und raschen Regeleffekt zu sichern. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, daß das aus Spezial-Keramik bestehende PTC-Element zylinderförmig
ausgebildet ist und aus mehreren Zylindersektoren besteht, welche je eine zentrale
konzentrische Ausnehmung besitzen, die zur kontaktierenden Aufnahme der inneren
Elektrode dient, wobei die Keramiksektoren in konzentrische äußere Elektrodenschalen
eingesetzt sind.
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Dabei wird eine sichereKontakt- und Haltewirkung nach der Erfindung
dadurch erreicht, daß die äußeren Elektrodenschalen als federnde Metallkörper ausgebildet
sind, in welche die PTC-Elemente einspannbar sind.
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Die in den AnsprUchen 4 bis 8 gekennzeichneten Erfindungsmerk male
dienen der weiteren brauchbaren Ausgestaltung des Haupterfindungsgedankens.
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Dabei befassen sich diese Ansprüche - mit der baulich und funktionell
vorteilhaften Ausgestaltung der Heizelemententeile, insbesondere der Elektroden,
wodurch ein einfacher Zusammenbau und ein sicherer Zusammenhalt der Teile, sowie
ein intensiver innerer Stromdurchgang mit optimaler allseitig gleicher Warmeabstrahlung
gewährleistet ist. Wesentlich ist dabei auch, daß bei der erfåndungsgemässen Struktur
des Heizelementes dessen Funktion durch einen Bruch oder eine Rissbeschddigung der
PTC-Keramikelemente nicht beeinträchtigt wird, da der Heizstrom über die ganze Länge
der Elemente in Querrichtung durchfließt.
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Es ist daher auch möglich, den Keramikkörper zugunsten seiner Herstellung
und zur BestUckung variabler Geräteabmessungen in
kurzen StUcken
auszuführen, die nach Bedarf in die Elektroden schalen aneinandergereiht eingesetzt
und gemeinsam oder einzeln mit Strom versorgt werden können.
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Aus Anspruch 9 ist zu entnehmen, daß die Besonderheit des erfindungsgemassen
Wdrmgerätes, also hauptsöchlich das selbstregelnde Reagieren auf den Ablauf der
Wärmeentnahme, auch zur Erwärmung von Gasen brauchbar ist, welche das zylindrische
Heizelement in Längsrichtung durchströmen, Auch hier ist ein großflachiger, regelaktiver
Strom- bzw. Wörmedurchgang durch die PTC-Elemente und deren UmhUllungen gewährleistet,
Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Zeichnung erläutert, in welcher AusfUhrungsbeispiele
schematisiert dargestellt sind.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Heizelement im Ldngsschnitt A/A aus Fig. 2 Fig.
2 den Schnitt B/B aus Fig. t Fig. 3 ein weiteres AusfUhrungsbeispiel des Heizelementes
(im Längsschnitt) Fig. 4 den Querschnitt durch ein Heinz~ element mit inneren Freiräumen.
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Die Figuren sind im Verhältnis von etwa 3:1 der Ublichen Gebrauchsgrössen
dargestellt.
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Einander entsprechende Teile haben die gleichen Bezugszeichen erhalten.
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Das Heizelement 1 nach den Figuren 1 und 2 besteht im wesentlichen
aus dem zylinderförmigen PTC-Element 2, das aus keramischem Werkstoff hergestellt
ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das PTC-Element'in zwei Zylindersektoren
3, 3a ldngsgeteilt, welche mit je einer zentrischen Ausnehmung 4 versehen sind.
In diese Ausnehmung ist als innere Elektrode 5 ein Metallrohrstuck so eingesetzt,
daß seine Oberfläche mit den PTC-Sektoren kontaktiert. Die Elektrode 5 ist mit einer,
dem Anschluß der Stromleitung L dienenden, Uberstehenden Verlöngerung versehen.
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Die äußere Elektrode besteht aus zwei Metallschalen 6, in welche die
PTC-Sektoren kontaktierend eingesetzt sind. Zur notwendigen Kontakt- und Haltewirkung
sind die Schalen 6 radial federnd ausgebildet, so daß die PTC-Elemente 2 in die
Schalen einspannbar sind. Die Stromleitung L' ist an beide Schalen angeschlossen.
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An das andere Ende der inneren Elektroden 5 ist eine Metallplatte
7 angesetzt, welche die Wärmeabstrahlung begünstigt.
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Das gesamte PTC-Element mit seinen Elektroden 5 und 6 ist mit einem
dünnwandigenr zylindrischen, elektrisch isolierenden Mantel 8 dicht umschlossen,
dessen Werkstoff eine hohe Wd.rmedurchlassigkeit besitzt.
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Das Heizelement 1 ist im vorliegenden Anwendungsfall als Tauchwarmer
zweckmässig in eine Metallhulse 9 eingesetzt, welche zur
Handhabung
mit einem gegebenenfalls auswechsel- und langsveranderbaren Handgriff H versehen
sein kann, durch welchen die Leitungen L und L' hindurch gefUhrt sind.
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Wie die besprochene Ausführung nach Fig. 1 und 2 erkennen läßt, ist
die Abstrahlung derin den PTC-Sektoren 3, 3a entstehenden Widerstandswdrme aufgrund
der Zylinderform-Uber alle Mantelzonen gleichmassig verteilt, wobei die großen Warmeleitflächen
der Zylinderform die fUr die Regelfunktion der PTC-Elemente erforderliche rasche
Entwdrmung, insbesondere bei einer durch UmrUhren erzeugten Relativbewegung zwischen
dem Medium und dem Heizelement, zugunsten einer kurzen Wdrmzeit gewährleisten.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt ein Heizelement, bei welchem
die PTC-Sektoren 2 durch eine vorgespannte stromleitende, als dussere Elektrode
wirkende, Schraubenfeder 11 gehalten und gegen die innere Elektrode 5 gedrUckt werden.
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Auch hier ist der erforderliche gute elektrische Kontakt zwischen
den Elektroden und den PTC-Elementen gesichert, wobei letztere auch in quer-geteilten
Einzelstücken, z.B. 2a und 2b, ausgefUhrt sein können. Da der radiale Stromfluß
trotz dieser Trennung voll aufrecht erhalten bleibt, so ergibt sich der Vorteil,
daß bei einer Rißbildung oder einem Bruch der PTC-Elemente der Stromkreis nicht
gestört wird.
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FUr Anwendungsfälle, bei welchen gasförmige Medien erwärmt werden
sollen, sind, nach Fig. 4, im Heizelement längs durchgehende Freiräume 12 fUr das
durchströmende Medium vorgesehen.
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Dabei stUtzen sich die sektorförmigen PTC-Elemente 2c und 2d einerseits
an der inneren Elektrode 5a und andererseits an der äusseren Elektrode 6a ab, welche
hier dls geschlossener Rohrkörper aus nichtleitendem Werkstoff ausgebildet ist,
der an seiner Innenwand metallbeschichtet ist. Die innere, aus federndem Material
bestehende, Elektrode 5a ist langsgeschlitzt und mit Vorspannung zwischen die PTC-Elemente
2c und 2d eingesetzt, so daß diese radial nach aussen gedrückt werden. Das gleiche
Mittel fUr die Herstellung einer elastischen radialen Spannwirkung läßt sich auch
bei den Innenelektroden 5 der Ausführungen nach Fig. 1, 2 und 3 anwenden.
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