Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizein¬ heit mit einem stromdurchflossenen Widerstandsheizelement und einem, den zu heizenden Gegenstand oder das zu erwärmende Medium tragenden beziehungsweise führenden, massiven Körper.

Konventionelle elektrische Heizeinheiten weisen Heizelemente auf, die aus stromdurchflossenen Leitern gebildet werden. Bevorzugte Materialien sind Cr-Ni-Legierungen, die einen spezifischen elektrischen Widerstand p von circa 1-10" ⁶ Ωm aufweisen. Da der spezifische Widerstand p von elektrischen Leitern sehr klein ist, muss der Leiter eine möglichst kleine Querschnittsfläche und eine grosse Länge aufweisen, damit ein genügend grosser effektiver Widerstand R erhalten wird. Deshalb werden konventionelle Widerstandsheizelemente aus dünnen Drähten gebildet, die spiralförmig gewickelt sind. Trotzdem ist der Widerstand R dieser Heizdrähte so klein, dass schon bei kleinen Spannungen die Eingangsleistung gross ist. Der Draht weist somit schnell eine hohe Temperatur auf. Typische Temperaturwerte liegen bei 1000°C.

Der Widerstandsdraht ist von dem zu erwärmenden, flüssigen oder gasförmigen, Medium oder Gegenstand durch einen massi¬ ven, meist elektrisch isolierten Körper getrennt. Dieser

trägt den zu heizenden Gegenstand oder führt das zu erwär¬ mende Mediu .

Ein typisches Beispiel derartiger Heizeinheiten ist die elek¬ trische Kochplatte. Beabstandet über der Heizspirale befindet sich die Glaskeramikscheibe, auf der sich die zu erwärmende Pfanne befindet.

Ein weiteres Beispiel ist der Durchlauferhitzer. Das zu erwärmende Wasser wird in Rohren geführt, die mit spiral¬ förmig gewickelten Widerstandsdrähten beabstandet umwickelt sind.

In beiden Beispielen erfolgt die Erwärmung des Gegenstandes oder des Mediums weniger durch Wärmeleitung als durch Wärme¬ strahlung. Diese Beispiele verdeutlichen die Nachteile der bekannten Heizeinheiten mit Widerstandsheizelementen. Es ist stets ein Zwischenelement zwischen der Wärmequelle, dem Heiz- draht, und der Wärmesenke, dem Gegenstand oder Medium, notwendig. Dieses Zwischenelement weist eine grosse Masse auf und ist meist auch noch ein schlechter Wärmeleiter, da er elektrisch isoliert ist. Dieses System ist somit bezüglich der Wärmeübertragung sehr träge. Deshalb muss das Heizelement eine viel höhere Temperatur aufweisen als effektiv beim Gegenstand oder Medium erzielt werden möchte. Zudem geht ein Grossteil der Heizleistung verloren, da die Wärmestrahlung in allen Richtungen abgestrahlt wird. Der Wirkungsgrad bekannter Heizeinheiten ist demzufolge sehr klein.

Eine Erhöhung des Wirkungsgrades könnte erzielt werden, indem der zu erwärmende Gegenstand oder das Medium in wärmeleiten¬ den Kontakt mit der Wärmequelle gebracht wird. Dies ist aber bei den herkömmlichen Heizdrähten nicht durchführbar. Wie bereits erwähnt, können keine niedrigen bis mittleren Tempe¬ raturen erzielt werden. Berührung mit dem heissen Heizelement kann zu Strukturveränderungen des Gegenstandes oder des Mediums führen. Ebenso können die Wärmeübertragung hemmende Randeffekte auftreten.

Eine optimale Wärmeübertragung ist zudem erst dann vorhanden, wenn die Kontaktfläche zwischen den wärmetauschenden Medien möglichst gross ist. Aus den bisher verwendeten Materialien kann jedoch kein grossflächiges Heizelement gebaut werden, da ihr spezifischer Widerstand zu klein ist.

In Hinblick auf die immer bedeutendere Forderung, dass elek¬ trische Energie möglichst effizient und sparsam verwendet werden soll, können diese bekannten Heizeinheiten nicht mehr genügen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elek¬ trische Heizeinheit zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad in der Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu der Wärmesenke gewährleistet.

Diese Aufgabe löst eine elektrische Heizeinheit gemäss Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der tragende, beziehungsweise führende, massive

Körper gleichzeitig das stromdurchflossene Widerstands- heizelement bildet.

Die erfindungsgemässe elektrische Heizeinheit weist wie die bekannten Heizeinheiten ein stromdurchflossenes Widerstands¬ heizelement auf. Dieses ist jedoch als massiver, das heisst als fester und wuchtiger Körper ausgebildet. Es kann beispielsweise als Rohr oder Platte gestaltet sein. Dieser massive Körper wird in der erfindungsgemässen Heizeinheit nicht nur als Wärmequelle eingesetzt, sondern auch um den zu erwärmenden Gegenstand zu tragen oder, im Falle eines Gases oder einer Flüssigkeit, dieses zu führen.

Das erfindungsgemässe Widerstandsheizelement ist nicht, wie bekannt, aus einem elektrisch leitenden Material mit kleinem spezifischen elektrischen Widerstand gefertigt, sondern aus einem einen beträchlich höheren spezifischen Widerstand auf¬ weisenden Material. Beispiele der verwendeten Materialien sind Halbleiter, wie Siliciumkarbid, mit Kohlenstoff, Graphit oder Metall dotierte Hochleistungs-Kunststoffe oder andere halbleiterähnliche Materialien. Diese Materialien haben einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand p als die bisher verwendeten. Typische Werte liegen zwischen 10 ^~4 bis 1 Ωm.

Der spezifische Widerstand p der verwendeten Materialien und damit auch deren effektiver Widerstand R sind genügend gross, so dass ein kleiner Querschnitt und eine grosse Länge keine

Bedingung für das Widerstandsheizelement mehr darstellt. Zudem ist die bei gleichbleibender Spannung in Wärme umgewan¬ delte Energie wegen dem höheren Widerstand um einiges tiefer als bei den herkömmlichen leitenden Widerstandsheizelementen. Das Heizelement lässt sich schon für eine niedrige bis mittlere Temperatur regeln. Typische Temperaturen liegen bei 50°C bis 700°C.

Das als massiver Körper ausgebildete, halbleitende Wider¬ standsheizelement birgt mehrere Vorteile.

Da das Heizelement bereits bei tiefen Temperaturen regelbar ist, kann es auf eine Temperatur erwärmt werden, die nur leicht höher als die gewünschte Endtemperatur des Gegen¬ standes oder Mediums liegt. Dadurch kann es in Kontakt mit dem zu erwärmenden Gegenstand oder Medium gebracht werden, so dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und nicht durch Wärmestrahlung erfolgen kann.

Da das Heizelement als massiver Körper ausgebildet ist, ist die Kontaktfläche zum Gegenstand oder Medium gross. Die Wärmeübertragung kann über diese grosse Fläche erfolgen. Zudem ist kein zusätzliches massives Zwischenelement erfor¬ derlich, das die Wärmeübertragung hemmt. Daher reicht, in umgekehrter Betrachtungsweise, die niedrige bis mittlere Temperatur der Wärmequelle zu Erzielung der gewünschten Temperatur am Gegenstand oder Medium aus.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Heizeinheit ist dem¬ nach beträchtlich höher als bei konventionellen Heizeinheiten

mit Widerstandsheizdrähten. Die erfindungsgemässe Heizeinheit ist energiesparend.

Zur zusätzlichen Erhöhung des Wirkungsgrades können die nicht zur Wärmeübertragung verwendeten Flächen des Heizelementes thermisch isoliert werden. Die Wärme wird so gezielt an die benötigte Stelle gebracht. Die Verluste durch Wärmestrahlung sind gering gehalten.

Je nach Anwendungsbereich wird der massive Körper des Wider¬ standsheizelementes gegenüber dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht kann beispielsweise ein Keramiküberzug mit ähnlichem Wärmeausdeh¬ nungskoeffizient wie der massive Körper sein. Vorzugsweise wird ein elektrisch isolierendes Material mit möglichst guten wärmeleitenden Eigenschaften gewählt.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungs¬ gegenstandes dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei¬ bung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Heizeinheit in Form eines Rohres;

Figur 2 eine Heizeinheit mit einem plattenförmigen Wider¬ standsheizelement;

Figur 3 eine erfindungsgemässe Kochplatte.

In Figur 1 ist ein rohrförmiges Widerstandsheizelement darge¬ stellt. Es besteht aus einem Rohrstück l, das an jedem seiner Enden gut leitende metallische Kontakte 2 mit grossen Kon¬ taktflächen zur Erstellung eines Stromkreises aufweist. Wird eine Spannungsquelle an diese Kontakte angeschlossen, so fliesst ein Strom durch das Rohr. Dieses wird entsprechend seinem Widerstand R erhitzt.

Ein derartiges Widerstandsheizelement wird beispielsweise in einem Durchlauferhitzer oder einer Geschirrspülmaschine verwendet . Das Rohrstück 1 des Widerstandsheizelementes ist dann gleichzeitig die Rohrleitung für das zu erwärmende Wasser. Das Wasser fliesst im Innern 3 des Rohres 1. Durch den direkten Kontakt mit der heissen Rohrwandung wird das Wasser erwärmt. Da die Rohrwandung nur eine unwesentlich höhere Temperatur als die gewünschte Wassertemperatur aufweist, treten keine Strukturumwandlungen des Wassers auf und der Wirkungsgrad ist wesentlich höher als bei konven¬ tionellen Durchlauferhitzern. Um unerwünschten Wärmeverlust an die Umgebung zu verhindern, kann das Rohr mit einem thermisch isolierten Mantel umgeben sein.

Wird eine Niederspannung, das heisst eine Spannung kleiner als 50 V, an das Rohr angelegt, so ist keine spezielle elek¬ trische Isolation notwendig.

Wird jedoch eine Spannung von 220 V verwendet, so muss die Heizeinheit gegenüber der Umgebung mit einem elektrisch iso¬ lierenden Mantel umgeben werden. Das zu erwärmende Medium, die Flüssigkeit oder das Gas, bleibt trotzdem in direktem

Kontakt mit dem als Wärmequelle dienenden Rohr. Als Isolationsmaterial wird beispielsweise Silikon-Kautschuk verwendet. Eine dünne derartige Isolationsschicht wird in einer speziellen Ausführungsform auch auf der inneren Wandung des stromdurchflossenen Rohres angebracht.

In Figur 2 ist ein Widerstandsheizelement in Form einer Platte dargestellt. An beiden Enden der Platte sind wie in der bereits beschriebenen Ausführungsform elektrische Kontakte 2 angebracht. Sie können an den Stirnflächen der Platte befestigt sein oder, wie dargestellt, den Umfang der Platte umfassen. Auch in diesem Beispiel ist die Platte gleichzeitig die Wärmequelle und der massive, den zu erwär¬ mende Gegenstand tragende Körper. Je nach angelegter Spannung wird die Platte mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt, die aber möglichst gute wärmeleitende Eigenschaften aufweist. Ebenso kann die untere Seite der Platte, falls sie nicht zur Wärmeübertragung verwendet wird, thermisch isoliert sein. Anwendungsbeispiele sind Wärmeplatten im Haushalts- gebrauch oder Heizelemente, die in einen mit Flüssigkeit gefüllten Behälter eingetaucht werden.

Ein Anwendungsbeispiel einer derartigen Platte ist in Figur 3 dargestellt. Das Widerstandselement wird als Kochplatte verwendet. Die untere Seite 5 der Platte 4 ist elektrisch und thermisch isoliert. Die obere Seite 6 weist eine elektrische Isolationsschicht auf. Auf diese wird der zu erwärmende Kochtopf gestellt. Auch diese Kochplatte weist die oben

beschriebenen Vorteile auf und ermöglicht so eine energie¬ sparende Zubereitung von Mahlzeiten.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das tragende Heizelement mit einem weiteren massiven Körper in Kontakt. Dieser Körper weist elektrisch isolie¬ rende, aber gut wärmeleitende Eigenschaften auf. Im Falle einer Kochplatte oder einer Wärmeplatte wird diese massive Isolation anstelle der oben beschriebenen Isolationsschicht verwendet. Als Isolationsmaterial wird beispielweise Alumi¬ niumnitrid (AlN) . Dieser Isolationskörper trennt das tragende Heizelement von dem zu erwärmenden Medium oder Gegenstand.

In einer weiteren Ausführungsform verbindet ein derartiger Isolationskörper mehrere massive Heizelemente miteinander, die somit eine gemeinsame Heizeinheit bilden.

Damit die erfindungsgemässe Heizeinheit sinnvoll eingesetzt werden kann, muss für jedes Anwendungsbeispiel jeweils die Optimierung aller wesentlichen Parameter berechnet werden. Das heisst, die Länge und Querschnittsfläche des Widerstands¬ heizelementes müssen so gewählt werden, dass der resultie¬ rende Widerstand R die zur Erzielung der gewünschten Tempera¬ tur notwendige Grosse aufweist. Gleichzeitig muss aber die Forderung erfüllt werden, dass die Stabilität des Körpers zum Führen des Mediums oder Tragen des Gegenstandes ausreicht. Ein dabei teilweise frei wählbarer Parameter ist das Mate¬ rial. Der spezifische Widerstand lässt sich durch Veränderung

der Dotierung des Siliziumkarbits oder des Kunststoffes variieren.

Im folgenden werden einige Zahlenbeispiele typischer Ausführungsformen angegeben:

1. Beispiel;

- verwendetes Material : graphitgefüllter Hochleistungs - kunststoff mit einem spezifischen Widerstand von p = 4 Ωcm.

Abmessungen des Rohres Durchmesser: 40 mm Wandstärke: 2.5 mm Länge: 200 mm angelegte Spannung: 220 V , 50 Hz Leistung: 1.78 kW

2. Beispiel:

- verwendetes Material : Hochleistungskunststoff mit einem spezifischen Widerstand von p = 0.04 Ωcm

Abmessungen des Rohres siehe Beispiel 1 angelegte Spannung: 24 V Leistung: 2.12 kW

3. Beispiel:

- verwendetes Material : Hochleistungskunststoff mit einem spezifischen Widerstand von p = 40 Ωcm

- Abmessungen des Rohres: siehe Beispiel 1

- angelegte Spannung: 380 V

- Leistung: 532 W

4. Beispiel :

- verwendetes Material .- Siliziumkarbit mit einem spezifi¬ schen Widerstand von p = 1.3 Ωcm

- Abmessungen des Stabes Durchmesser: 8 mm Länge: 150 mm

- angelegte Spannung: 220 V, 50 Hz

- Leistung. - 1.25 kW