ELECTRIC HEATING DEVICE

Abstract: 1. An electric heating device with at least one electric PTC resistance element (9) having a positive temperature coefficient, wherein the resistance element (9) is mounted to a metal plate (10), the surface area of which is at least twice as large as the surface area of the PTC resistance element (9), characterized in that the metal plate (10) whith the PTC resistance element (9) or the PTC resistance element (9) is surrounded by a material (8) of high heat capacity disposed between the metal plate (10) and the article to be heated.

Description: Elektrische Heizeinrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung mit mindestens einem elektrischen PTC-Widerstandselement, das einen positiven Temperaturgradienten besitzt. Aus der deutschen Auslegeschrift 28 04 749 ist ein Durchlauferhitzer, insbesondere für Kaffeemaschinen oder sonstige Getränkezubereitungsmaschinen bekannt geworden, bei welchem die Heizelemente aus planparallelen Plättchen aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes - sogenanntes PTC-Material - bestehen. Weitere Durch lauferhitzer, bei denen das PTC-x'iderstandsmaterial als "kaltleitendes Material" bezeichnet wird, sind aus den deut schen Gebrauchsmustern 78 21 809 und 78 38 483 bekannt gewor den. Weiterhin wird im Unteranspruch 5 der deutschen Offenlegungsschrift 27 43 880 die Anwendung einer Heizeinrichtung mit einem scheibenförmigen Heizelement aus Kaltleiter-Alateri- al, welches eine Abschaltregeleigenschaft hat, für eine Haushaltskaffeemaschine beschrieben. Weitere Hinweise auf Anwen dungsmöglichkeiten der PTC-Widerstandselemente bzw. der Kalt leiter befinden sich in den deutschen Gebrauchsmustern 77 30 233 und 78 38 558. Darüber hinaus wird auf die EP-A-O 022 878 und 0 057 171 und die dort genannten einschlägigen Dokumente Bczug ge nomnen. Die Temperaturregelung bei elektrischen Heizeinrichtungen für Kaffeemaschinen verfolgt verschiedene Zwecke. Einerseits soll das aus einem Vorratsbehälter in ein Wasserdurch- laufrohr laufende Wasser so weit erhitzt werden, dass ein Dampfdruck entsteht, welcher das Wasser über ein Steigrohr zum Auslaufen auf das Kaffeepulver treibt. Andererseits soll das fertiggestellte Aufgussgetränk, z. B. der Kaffee, über einen längeren Zeitraum auch nach Verbrauch des Wassers aus dem Vorratsbehälter auf einer Filtrattemperatur von z. B. o 80 C gehalten werden. Eine sehr wichtige Aufgabe besteht jedoch noch in der Vermeidung von Überhitzungen, die zu einem Durchbrennen des Rohrheizkörpers oder sogar zu einem Brand des im allgemeinen aus Kunststoff bestehenden Gehäuses der Kaffeemaschine führen könnten. Die genannten Uberwachungs- und Steuerungsaufgaben werden bei den auf dem Markt befindlichen Kaffeemaschinen von üblichen Thermostaten mit Bimetallelementen oder dgl. durchgeführt. PTC-Widerstandsmaterialien oder Kaltleiter wären an und für sich ideal geeignet, da sie mit zunehmender Erhitzung weniger Strom aufnehrnen und dementsprechend sich selbst auf eine bestirnmte Temperatur regulieren. Trotz der zahlreichen obengenannten Vorschläge ist jedoch bisher noch keine Kaffeemaschine mit serienmässig eingebauten PTC-xViderstandselementen auf dem Markt. Die Gründe, weshalb sich die Vorschläge bisher nicht realisieren haben lassen, sind zahlreich. Die Wärmeleitung bei \S'iderstandsmaterialien mit ipositivem Temperaturkoeffizienten, welche praktisch in Frage komnen, ist sehr schlecht. Sie beträgt bei reinem Bariumtitanat 0,03 Watticm o je C, ist also 400mal schlechter als Kupfer. Durch die Dotierung, z. B. mit Strontium, wird die Wärme leitung noch ungünstiger. Weiterhin ergibt sich bei der praktischen Anwendung zwangsläufig ein einseitiger Wärmeabfluss mit einer ungleichmässigen Wärmebelastung des PTC-Elementes, wodurch der Regelungsvorgangundefiniert wird. Durch die schlechte Wärmeleitung in Verbindung mit der ungleichmässigen Belastung entstehen in dem PTC-Element Überhitzungszonen, die einen Umschlag von dem tetragonalen in das kubisch-flächenzen trierte Kristallgitter zur Folge haben. Mit anderen Worten nimmt also die Fläche oder die Seite des PTC-Elementes, von welcher der Wärmefluss auf das zu erhitzende aterial ausgeht, eine andere Temperatur an als die Rückseite des Elementes, wodurch die Stromaufnahme der einzelnen Kristalle undefiniert wird und aufgrund innerer Spannungen entsprechende Schäden auftreten. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizeinrichtung der in Rede stehenden Art vorzuschlagen, bei der eine gleichmässige Temperatur der PTC-Elemente über die gesamte Oberfläche gesichert ist und dementsprechend eine wesentlich bessere Funktionsweise der Temperaturüberwachung erreicht wird. Die Lösung der genannten Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches. Die Unteransprüche 2 bis 7 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Heizeinrichtung. Die Ansprüche g bis 10 beschreiben eine elektrisch beheizbare Warmhalteplatte, insbesondere für Kaffeemaschinen, welche mit einer entsprechenden elektrischen Heizeinrichtung ausgerüstet ist. Der neuartige Funktionsmechanismus wird wie folgt begründet: Bei den bisherigen Ausführungsformen wurde empfohlen, die Wärmeableitung von dem PTC-Element auf den zu beheizenden Gegenstand sd gut wie möglich zu gestalten, indem z.B. elektrisch erforderliche Isolationen so dunn wie möglich, also folienartig ausgeführt werden, darnit der Wärmefluss möglichst nicht behindert wird. Diese Überlegung ist an sich richtig, da ja bei mangelndem Wärmeabfluss die Temperatur des PTC-Elementes ansteigt, dieses damit keinen oder nur wenig Strom aufnimmt und somit auch seine Wirkung als Heizelement einbüsst. Umgekehrt ist Ziel der Regelung die Temperatur des zu beheizenden Gegenstandes, z.B. des Kaffeefiltrates in der Kaffeekanne einer Kaffeemaschine. Nur durch gute Wärmeleitung zwischen dem Kaffee und dem PTC-Element erwartet man sich eine "Rückmeldung", d.h. einer bestimmten Temperatur des Kaffeefi Itrates sollte auch eine bestimmte Temperatur des PTC-Elementes und damit eine bestimmte Stromaufnahme des PTC-Elementes entsprechen. Diese Überlegung ist jedoch nicht zu realisieren. Der Wärmeübergang von der Flüssigkeit auf das abgestellte Gefäss, von dort auf die Oberfläche der Warmhalte- platte und von dort auf das PTC-Element ist zu undefiniert, als dass z.B. eine exakte Filtrattemperatur von o 80 C oder knapp darüber eingehalten werden könnte. Durch den mit Absicht besonders günstig gestalteten Wärmeübergang ergeben sich die eingangs erwähnten Temperaturunterschiede in dem PTC-Element, was im Endeffekt zur Zerstörung desselben führt. Entsprechend der neuen Überlegung wird auf eine "Tempera- turrückmeldung" der zu beheizenden Flüssigkeit verzichtet und insoweit das Wärmeleitungsproblem "entkoppelt". Die von dem PJC-Element oder von den PTC-Elementen erzeugte Warme wird in guter Wärmeleitung auf eine Metallplatte geleitet, die vorzugsweise gleichzeitig der Stromzufuhr zu dem PTC-Element dient. Die Metallplatte ist in einem Material hoher '.ärmekapazität, z.B. in pulverförmigem Magnesiumoxid oder auch in Sand eingebettet. Die Grösse der Metaliplatte und die Menge des körnigen Materials lässt sich nun so abstimmen, dass: a) die Temperaturdifferenz zwischen der an der A'letall- platte angelöteten Seite des PTC-Elementes und der Rückseite eine bestimmte Grösse nicht überschreitet und dementsprechend eine Zerstörung des PTC-Elemen tes vermieden wird, b) das körnige Material nach und nach eine ganz bestimm o te Temperatur, z.B. von 90 C annimmt, c) die Hohe der Temperatur und die Temperaturverteilung in dem körnigen Material sich nur wenig ändert, unab hängig davon, ob z.B. eine Kaffeekanne mit mehr oder weniger oder mit kaltem oder mit heissem Kaffee abge stellt wird, d) trotzdem aufgrund der hohen Wärmekapazität des körnigen Materials die erwünschte konstante Tempe ratur, z.B. des Kaffees, erreicht und aufrechter halten wird. Die Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen: Fig. 1 schaubildlich eine Kaffeemaschine mit abgezo gener Warmhalteplatte; Fig. 2 eine Unteransicht der mit PTC-Elementen be stückten Heizeinrichtung entsprechend dem Schnitt ll-ll in Fig. 3; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie lll-IIl in Fig. 1. Mit einer Kaffeemaschine 1 herkömnlicher Bauart ist eine Abstell- und Warmhalteeinrichtung 2 lösbar verbunden, die mittels des Handgriffes 3 aus der Steckverbindung 4, 4' gezogen werden kann. Die Abstell- und Warmhalteeinrichtung 2 besitzt eine Abstellfläche 5 für eine nicht dargestellte Kaffeekanne, welche von dem Boden einer Schale 6 aus Metall gebildet wird, die mittels eines Deckels 7, z.B. durch Unbördelung, verschlossen ist. Die Schale ist mit einem körnigen oder pulverförmigen Material 8 gefüllt, welches eine relativ hohe Wärmekapazität und einen guten elektrischen Isolationswiderstand hat. Bevorzugt werden Zirkonoxid, Magnesiumoxid oder auch Hartesalze, wie sie zum Härten von Stahl verwendet werden. In bestinmten Fällen kann auch einfacher Sand Verwendung finden. In das körnige oder pulverförmige Material 8 ist im Abstand von der Abstellfläche 5 eine Heizeinrichtung eingebettet, die aus PTC-Elementen 9 besteht, welche auf eine Nsetallplatte 10 aufgelötet sind. Ein elektrisches Anschlusskabel ist einerseits mit der Metallplatte 1 und andererseits mit den Anschlüssen der PTC-NVider- s+andselemente 9 verbunden. Das körnige Material s kann mittels der Sacklochgewindeschrauben 12 entsprechend zusammengepresst werden. Diese dienen ausserdem der Befestigung der Heizeinrichtung in der Abstell- und Warmhalteeinrichtung 2 sowie zur Befestigung weiterer Bauelemente. Das Anschlusskabel 11 kann mit elektrischen Steckern 15 verbunden sein, wenn die Steckverbindung 4 lediglich der mechanischen Halterung, jedoch nicht elektrischen Kontaktgabe dienen soll. Durch die besondere Ausbildung und bei entsprechender Abstimmung ergeben sich im Aufheizvorgang jeweils genau definierte Verhältnisse, unabhängig davon, ob eine Kaffeekanne auf der Abstellfläche 5 abgestellt ist oder nicht, bzw. die Abweichungen halten sich in tolerierbaren Grenzen und zwar aufgrund der relativ hohen Wärme- kapazität des pulverförmigen oder körnigen Materials 8. Die Grösse und Dicke der Metallplatte 10 muss so gewählt werden, dass einerseits eine grossflächige Wärmeübertra gung auf das körnige Material 8 gewährleistet ist. Ande rerseits soll die Temperaturdifferenz zwischen der der Metallplatte 10 zugewendeten Seite des PTC-Elementes und der Rückseite einen bestimmten Grenzwert nicht über schreiten. Die PTC-Widerstandselemente 9 können mit normalen Wider- standselementen, d.h. solchen, die einen negativen Temperaturkoeffizienten haben, kombiniert werden, um be sondere Charakteristiken des Temperaturverlaufes zu er zielen. Ein derartiges Element kann beispielsweise zwi schen dem Deckel 7 und den PTC-Elementen 9 angeordnet sein oder es kann auch mit der hietaliplatte 10 verlötet sein. Ein derartiges Element kann z.B. der schnelleren Aufheizung während der Kaffeezubereitung dienen. Nach Fertigstellung und dementsprechend Abschaltung des mas- serdurchlauferhitzers kann das Element abgeschaltet werden, so dass dann nur noch die PTC-Elemente 9 die Warm- haltefunktion für die abgestellte Kaffeekanne übernehmen.

Claims: 1. An electrically heatable warming plate for coffee machines, including a housing, the surface of which serves as a setting-down area for a vessel to be kept warm and which is filled with a powdery or granular material having a high heat capacity, a high electric insulating resistance and a poor thermal conductivity, characterized in that one or a plurality of PTC resistance elements (9) are soldered onto a metal plate (10), and that the metal plate (10) is disposed with a spacing from the lower surface of the setting-down area in such manner that it and the PTC resistance elements (9) are surrounded by the powdery or granular material (8), wherein the surface of the metal plate (10) is at least twice as large as the surface of each PTC resistance element. 2. A warming plate according to claim 1, characterized in that the powdery or granular material (8) is zirconium oxide, magnesium oxide, a carburizing salt or sand. 3. A warming plate according to claims 1 or 2, characterized in that a plug connection (15) is provided, by means of which the warming plate (2) is detachably connected to an associated coffee machine (1), and that electrical connections lead from the plug connection (15) to the metal plate (10), on the one hand, and to the terminals of the PTC resistance elements (9), on the other hand. 4. A warming plate according to claims 1 to 3, characterized in that the metal plate (10) consists of aluminium.

Inventors: BLECKMANN, INGO, DIPL.-ING. DR.
Applicants: ELPAG AG CHUR
Application year: 1983
Main classification: A47J31
IPC codes: H05B3, A47J31