[0001] Die Erfindung betrifft einen Strahlheizkörper, insbesondere zur Verwendung zur Beheizung
von Glaskeramik-Kochplatten, Back-Bratgeräten o.dgl. sowie ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu seiner Herstellung.
[0002] Die Befestigung von Heizwendeln auf Isolierkörpern für Strahlheizkörper geschieht
entweder durch Einlegen in Nuten des Isolierkörpers, durch Befestigen mit Klammern
auf der Oberfläche des Isolierkörpers oder durch Einbetten der Heizwendel in einem
feuchten Isolierkörper, in den die Heizwendel hineingedrückt wird und nach der Trocknung
dort festgelegt ist. Dieses letztere Verfahren hat sich als sehr vorteilhaft gezeigt,
ist jedoch relativ aufwendig und erfordert ein überwiegend faseriges Isoliermaterial,
das eine gute mechanische Festigkeit hat, jedoch in den thermischen Isoliereigenschaften
deshalb etwas niedriger liegt. Diese Iso lierkörper werden daher normalerweise mit
einer Schicht aus einem Aerosil unterlegt, das bei guter Wärmebeständigkeit und ausgezeichneten
elektrischen und thermischen Isoliereigenschaften jedoch eine geringere mechanische
Festigkeit hat.
[0003] Ebenfalls bekannt ist es, die Heizwendel an einigen Stellen so zu verformen, daß
Vorsprünge entstehen, die beim Herstellen des Isolierkörpers von diesem umpreßt werden
(EP-A-71 048).
[0004] Bisherige Versuche, Heizwendeln oder Vorsprünge direkt in ein solches Aerosil einzubetten,
sind fehlgeschlagen. Wollte man ein solches Material verwenden, so mußte man die Festlegung
mittels Klammern oder ausgeformten Vorsprüngen der Heizwendeln vornehmen.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strahlheizkörper und ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zu seiner Herstellung vorzuschlagen, bei dem Nachteile bekannter Lösungen
vermieden sind und bei dem insbesondere eine Einbettung der Heizwendeln in den Isolierkörper
mit gutem Halt darin möglich ist.
[0006] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Füllmaterial
für die Heizwendel verwendet wird. Bevorzugt wird der aus Isoliermaterial bestehende
Isolierkörper eines Strahlheizkörpers mit darin teilweise eingebetteten Heizwendeln
dadurch hergestellt, daß das Innere der Heizwendel über einen Abschnitt seiner Querschnittsfläche
mit dem ins Innere der Heizwendel einbringbarem Füllmaterial gefüllt und danach das
Isoliermaterial so aufgebracht wird, daß es den von Füllmaterial freien Raum im Inneren
der Heizwendel ausfüllt, wonach anschließend das Füllmaterial entfernt wird. Das Füllmaterial
kann ein fließfähiges Material, beispielsweise Quarzsand sein.
[0007] Das Isoliermaterial kann in trockener Form auf die auf einer geeigneten Unterlage
liegenden, teilweise mit dem Füllmaterial gefüllten Heizwendeln aufgeschüttet werden,
wobei bevorzugt als Isoliermaterial ein rieselfähiger Stoff, insbesondere ein Aerogel
auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung
und mit Binde- und Trübungsmitteln verwendet wird.
[0008] Das Isoliermaterial kann vor dem Entfernen des Füllmaterials gepreßt werden, so daß
es einen relativ festen Block bildet, der unter vielen Voraussetzungen schon allein
ausreicht, um die nötige Festigkeit zu gewährleisten. Dabei ist ja das Füllmaterial
zwischen die Windungen der Heizwendeln eingedrungen und hat diese teilweise umschlossen.
Durch die Größe der Füllmaterial-Schüttung im Inneren der Heizwendel und auch ggf.
eine gewisse Form mit einer konkaven oder konvexen Oberfläche kann auch die Form des
die Einbettung bildenden, im Heizwendel-Inneren verbleibenden Teil des Isolierkörpers
bestimmt werden. Dies kann ebenfalls dadurch geschehen, daß die Heizwendel als hochstehendes
Oval ausgebildet wird. Es ist somit möglich, den Preßdruck auch bis ins Innere der
Heizwendel zu erstrecken, ohne daß dadurch die Heizwendel selbst verformt wird bzw.
zusätzlich der Isolierkörper beschädigt wird, wenn beispielsweise eine Heizwendel
in den trocken vorgepreßten Isolierkörper selbst eingepreßt wird.
[0009] Der entstehende Isolierkörper hat außer einer guten Festlegung der Heizwendel den
Vorteil, daß ein Teil seiner Innen-Querschnittsfläche frei von Isoliermaterial ist,
so daß die Abstrahlungsbedingungen des Strahlheizkörpers gut sind und der Isolierkörper
nicht unnötig thermisch belastet oder aufgeheizt wird.
[0010] Der Isolierkörper kann nach dem Pressen vorzugsweise noch thermisch ausgehärtet werden.
Das kann ggf. auch bei der ersten Benutzung oder einem Probelauf geschehen. Es können
entsprechende bekannte Härtungsmittel verwendet werden. Es ist auch möglich, ein Härtungsmittel
in das Füllmaterial einzubringen und dieses von dort aus in die benachbarten Bereiche
des Isoliermaterials eindringen zu lassen. In diesem Falle würden bevorzugt die Einbettungsstellen
gehärtet werden, was einen idealen Isolierkörper mit erhöhter Festigkeit im Bereich
der Einbettung, im übrigen aber die besten thermischen Isoliereigenschaften ergibt.
Bei Mehrkomponenten-Härtern könnte auch nur eine Komponente dieses Härtungsmittels
im Füllmaterial enthalten sein.
[0011] Es ist ebenfalls möglich, das Härtungsmaterial geschichtet zu dosieren und dabei
an den Stellen der Heizwendel erhöht zu dosieren.
[0012] Eine bevorzugte Vorrichtung zur Herstellung von Strahlheizkörpern der beschriebenen
Art enthält ein Werkzeug, in dem die Heizwendeln in Nuten teilweise aufgenommen sind
und eine Einrichtung zur teilweisen Füllung eines fließ- bzw. rieselfähigen Füllmaterials
in die Nuten und eine Preßeinrichtung zum anschließenden einbettenden Verpressen der
Heizwendel mit dem Isoliermaterial. Das rieselfähige Material ist vorzugsweise inkompressibel
und bildet einen im Inneren der Heizwendel liegenden "Gegendruckstempel", auf dem
das Isoliermaterial fest verpreßt werden kann.
[0013] Durch das Verfahren und die Vorrichtung kann ein bevorzugter Strahlheizkörper hergestellt
werden, der im Inneren über einen Abschnitt seines Innenquerschnitts durch Einbettung
in das Isoliermaterial mit diesem gefüllt ist, wodurch die Heizwendel am Isolierkörper
festgelegt ist. Das Isoliermaterial kann dabei besonders bevorzugt aus einem rieselfähigen
Stoff, insbesondere einem Aerogel der bereits erwähnten Art bestehen. Der Strahlheizkörper
ist besonders dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberfläche des im Inneren der Heizwendel
liegenden Abschnittes des Isolierkörpers der Abdruck des ins Innere der Heizwendel
einbringbaren Füllmaterials ist.
[0014] Es hat sich gezeigt, daß der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Heizwendel
größer als die Drahtdicke sein sollte, damit ein gutes Eindringen des Füllmaterials
einerseits und des Isoliermaterials andererseits ins Innere der Heizwendel möglich
ist und daß die für den Halt der Heizwendel sorgenden, zwischen den Drahtwindungen
hindurchreichenden Isolierkörper-Stege einen ausreichenden Querschnitt haben.
[0015] Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer
aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination
bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein
und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die
hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend
anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung im teilweise
abgebrochenen schematischen Vertikalschnitt;
Fig. 2 die vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils eines Strahlheizkörpers nach
der Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III in Fig. 2.
[0016] Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 11, die auf einem Werkzeugtisch oder -ständer 12 angeordnet
ist und ein Werkzeug 13 trägt, das die Form einer Platte mit an seiner Oberseite eingeformten
Nuten 14 hat, die einen im wesentlichen halbrunden Querschnitt haben. Die Nuten verlaufen
auf der oberen Werkzeugfläche 15 in beispielsweise spiraliger, zickzack- oder mäanderartiger
Form, je nachdem, wie Heizwendeln 16 auf der Oberfläche eines Isolierkörpers angeordnet
werden sollen. Das Werkzeug kann im Randbereich Ausnehmungen haben, die beispielsweise
einen umlaufenden Rand eines Isolierkörpers formen.
[0017] In die Nuten 14 werden Heizwendeln 16 eingelegt, die aus den Nuten teilweise herausragen.
Der Anteil des Heizwendel-Querschnitts, der aus den Nuten nach oben herausragt, bestimmt
zusammen mit der Nuttiefe die Höhe der späteren Einbettung der Heizwendeln in einen
Isolierkörper 21.
[0018] In die Nuten 14 wird im Rahmen des Herstellungsverfahrens ein Füllmaterial 17 eingebracht,
das beispielsweise aus Quarzsand als Hauptbestandteil besteht. Möglich ist auch die
Verwendung eines Materials wie Wachs oder Stearin, das im warmen Zustand flüssig ist.
Das Füllmaterial wird vorzugsweise so weit eingefüllt, daß es mit seiner Oberfläche
im wesentlichen mit der oberen Werkzeugfläche 15 abschließt. Es kann aber auch etwas
darüber oder darunter liegen und es kann auch durch entsprechende Einbringungs- oder
Nachbehandlungsschritte eine bestimmte Gestalt einnehmen, beispielsweise eine konkave
oder konvexe Form, die dann auch die Form des Isolierkörpers an dieser Stelle bestimmt.
Dies könnte beispielsweise durch Rütteln oder andere Maßnahmen durchgeführt werden.
Die Form der Nuten muß auch nicht genau den Heizwendeln entsprechen. Sie sollte nur
so sein, daß die Heizwendeln während der Bearbeitung gut geführt werden. Um jedoch
eine äußere Umschließung der Heizwendeln auch im Nutbereich zu vermeiden; sollten
die Nuten relativ genau auf die Heizwendeln abgestimmt sein. Eine Ausformung der Nuten
entsprechend den Einzelwindungen dürfte jedoch nur in Ausnahmefällen nötig sein.
[0019] Unter gewissen Umständen könnte auch das Füllmaterial bereits vor den Heizwendeln
eingebracht sein, wenn beispielsweise die Heizwendeln durch einen Vibrationsvorgang
unter entsprechendem Druck von oben in die Nuten eingebracht werden. Es würde auch
nichts schaden, wenn das Füllmaterial die Heizwendeln noch untergreift, weil das Füllmaterial
wegen seiner Inkompressibilität ebenso wirkt wie ein fester Werkzeugstempel
[0020] Auf das so vorbereitete Werkzeug 13 wird ein Isoliermaterial geschüttet, das vorzugsweise
ein Aerogel auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid ist und ggf. eine
Faserverstärkung beinhalten kann. Es enthält übliche Binde- und Trübungsmittel beispielsweise
Ilmenit, Eisenoxid oder dergleichen. Das Isoliermaterial ist sehr leicht und rieselfähig
und dringt gut zwischen den Windungen der Heizwendeln ein und füllt den vom Füllmaterial
17 nicht eingenommenen Abschnitt 20 des Innenraums der Heizwendel bis an die Oberfläche
des Füllmaterials an.
[0021] Dieses trocken in rieselfähigem Zustand aufgebrachte Isoliermaterial 21 wird danach
von einem Preßstempel 22 mit einer angedeuteten, beispielsweise hydraulischen Preßvorrichtung
23 gegen das Werkzeug 13 verpreßt. Dabei wird auch der im Inneren der Heizwendel liegende
Abschnitt 20 verdichtet, indem Isoliermaterial durch die Windungen nachdrängt. Man
kann davon ausgehen, daß am Ende der Verpressung ein weitgehend homogener Körper aus
verpreßtem trockenen Isoliermaterial gebildet ist. Er kann danach wärmebehandelt
werden, um in den Trübe- oder Bindemitteln enthaltene ther misch aushärtende Materialien
bekannter Konsistenz wirksam werden zu lassen. Ihr Anteil und der Grad der Verpressung
hängt von den Anforderungen an die Festigkeit und insbesondere Abriebfestigkeit des
Isolierkörpers ab. Eine zusätzliche partielle Härtung im Bereich der Einbettung kann
durch Versetzen des Füllmaterials 17 mit einem Härtungsmittel geschehen, das beim
Verpressen aus dem Füllmaterial herausgedrängt wird oder auch kapillar in die angrenzenden
Teile des Isolierkörpers eindringt. Ebenfalls möglich ist es, den Isolierkörper mit
unterschiedlichen Anteilen an Härtungszusätzen zu versehen und die Dosierung an den
Heizwendeln zu erhöhen. Vor dem thermischen Aushärten wird der trocken verpreßte
Isolierkörper 21 aus der Vorrichtung 11 entfernt, indem die Vorrichtungsteile 13,
22 auseinandergefahren werden. Das Füllmaterial 17 rieselt dabei von selbst zwischen
den Windungen der Heizwendeln 16 hindurch bzw. verbleibt in den Nuten von wo es entweder
sofort weiterverwendet oder durch Abschütteln, Abblasen oder Absaugen entfernt und
ggf. nach einer Aufarbeitung wieder neu verwendet werden kann. Als Füllmaterial sind
alle rieselfähigen oder in gewisser Weise fließfähigen Materialien geeignet, die weitgehend
inkompressibel sind und, beispielsweise durch Eigenreibung der einzelnen Partikel,
aus denen sie bestehen, nicht wie eine reine Flüssigkeit verdrängt werden können oder
in das Isoliermaterial eindringen. Die Konsistenz wird dementsprechend meist zwischen
"staubförmig" und "körnig" liegen, bei Verwendung von Wachs oder Stearin auch flüssig.
[0022] Die Fig. 2 und 3 zeigen den fertigen Strahlheizkörper in seiner Gebrauchslage mit
Abstrahlrichtung nach oben, wobei in Fig. 2 eine Glaskeramikplatte 23 gezeigt ist,
unter der der Strahlheizkörper 24 angeordnet ist und diese nach oben durchstrahlt.
Der Strahlheizkörper ist jedoch auch für andere Anwendungen geeignet, beispielsweise
zur Beheizung von Backöfen etc.
[0023] Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Heizkörper auch von anders hergestellten Heizkörpern
klar zu unterscheiden ist, weil normalerweise im Bereich des im Heizwendelinneren
gelegenen Abschnitts 37 dessen Oberfläche 26 eine andere Struktur hat als die vom
Werkzeug 13 geformte Fläche 35. Normalerweise beginnt diese strukturierte Oberfläche
26 schon etwas außerhalb der Heizwendel 16 und bildet dort eine kleine Kante 27.
Je nach dem Grad der Schüttung des Füllmaterials 17 liegt die Oberfläche 26 etwas
höher oder ggf. auch tiefer als die Fläche 35. Wenn die Nuten 14 gerade gefüllt sind,
bevor die Verpressung beginnt, liegt die Oberfläche 26 etwas höher, weil sich das
Füllmaterial bei der Verpressung etwas setzt.
[0024] Es sind auch andere Methoden zur gänzlichen oder nur die Oberfläche betreffenden
Härtung möglich. Eine thermische Aushärtung kann auch erst während des Betriebes erfolgen.
Durch entsprechende Ausbildung des Werkzeugs kann die Fläche 26 und ggf. auch die
Fläche 35 in einfacher Weise beliebig gestaltet werden. So ist es beispielsweise möglich,
die Anbringung der Heizwendel im Bereich einer parallel zu dieser verlaufenden oder
auch diese kreuzenden Rippe oder eines längs verlaufenden Vorsprunges vorzunehmen.
Dies kann durch entsprechende Ausbildung der Oberfläche des Werkzeugs 13 und der Nuten
sowie durch spezielle Form der Schüttung erreicht werden. So könnte beispielsweise
die Schüttung durch längs der Nuten verlaufende Schüttkanäle oder -düsen erfolgen,
die ein bestimmtes Muster des Füllmaterials im Inneren der Heizwendel hervorrufen.
So kann beispielsweise, wenn mit einem "Haufen" geschüttet wird, eine der Krümmung
der Windungen der Heizwendel angepaßte konkave Form des Abschnitts 17 erreicht werden.
Vorteilhaft könnte auch bei einer Schüttung durch die angelegte Heizwendel hindurch
jeweils der Bereich unter einer Heizwendel durch Abdeckung etwas weniger hoch geschüttet
werden, so daß an dieser Stelle das Isoliermaterial etwas höher zu liegen kommt und
daher einer Umschlie ßung insbesondere der Heizwendel ermöglicht. In diesem Falle
hätte die Oberfläche 26 in Fig. 2 eine gewellte, jeweils zwischen den Heizwendeln
sich absenkende Gestalt.
[0025] Wie aus den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, umfaßt vorzugsweise der Isolierkörperabschnitt
37 vorzugsweise nur den unteren Teil, beispielsweise ein Drittel bis zur Hälfte des
Umfangs der Windungen der Heizwendel 16. Dies reicht für eine gute Festlegung aus.
Es ist wichtig, daß beträchtliche Anteile der Heizwendel und dementsprechend ein
vorzugsweise mehr als die Hälfte des Heizwendelquerschnitts einnehmenden Abschnitt
36 vom Isolierkörper frei sind, um frei abstrahlen zu können. Die eingebetteten und
freibleibenden Anteile ändern sich jedoch je nach der Beschaffenheit des Isoliermaterials
und den Festigkeits- und Gebrauchsanforderungen an den Strahlheizkörper. Besonders
günstig ist die Verwendung von hochkant angeordneten Ovalheizwendeln.
1. Verfahren zur Herstellung von Strahlheizkörpern (24) mit einem aus Isoliermaterial
bestehenden Isolierkörper (21) und darin teilweise eingebetteten Heizwendeln (16),
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens vorübergehend ein Füllmaterial (17) für die
Heizwendel (16) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Heizwendel
(16) über einen Abschnitt (36) seiner Querschnittsfläche mit dem ins Innere der Heizwendel
(16) einbringbaren Füllmaterial (17) gefüllt, danach das Isoliermaterial so aufgebracht
wird, daß es den von Füllmaterial (17) freien Raum (20) im Inneren der Heizwendel
ausfüllt und daß anschließend das Füllmaterial (17) entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial
bei seiner Aufbringung trocken ist und/oder vor Entfernung des Füllmaterials (17)
gepreßt wird und daß der Isolierkörper (21) nach dem Pressen vorzugsweise thermisch
ausgehärtet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
als Füllmaterial (17) ein fließfähiges Material, wie Quarz etc., verwendet wird und
daß vorzugsweise die mit Heizwendeln (16) versehene Oberfläche des Strahlheizkörpers
(24) nach dem Verpressen und ggf. Aushärten durch Blasen oder Saugluft von Partikeln
des Füllmaterials (17) befreit wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Isoliermaterial aus einem rieselfähigen Stoff, insbesondere einem Aerogel auf
der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung, besteht
und Binde- und Trübungsmittel enthält.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Füllmaterial (17) zumindest mit Komponenten eines benachbarte Bereiche des Isoliermaterials
beeinflussenden Härtungsmittels versetzt wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung von Strahlheizkörpern (24) mit einem aus Isoliermaterial
bestehenden Isolierkörper (21) und darin teilweise eingebetteten Heizwendeln (16),
gekennzeichnet durch ein Werkzeug (13), in dem die Heizwendeln (16) in Nuten (14)
teilweise aufgenommen sind und durch eine Einrichtung zur teilweisen Füllung eines
fließ- bzw. rieselfähigen Füllmaterials (17) in die Nuten (14) und eine Preßeinrichtung
(23) zum anschließenden einbettenden Verpressen der Heizwendeln (16) mit dem Isoliermaterial.
8. Strahlheizkörper, hergestellt nach dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche
1 bis 7.
9. Strahlheizkörper mit einem Isolierkörper (21) aus Isoliermaterial und wenigstens
einer darin teilweise eingebetteten Heizwendel (16), dadurch gekennzeichnet, daß
das Isoliermaterial aus einem anfänglich rieselfähigen, verpreßten Stoff, insbesondere
einem Aerogel auf der Basis pyrogener Kieselsäure oder Aluminiumoxid, ggf. mit Faserverstärkung
und Binde- und Trübungsmitteln besteht und daß das Innere der Heizwendel (16) über
einen Abschnitt (37) ihres Innen-Querschnitts durch Einbettung in das Isoliermaterial
mit diesem gefüllt und dadurch die Heizwendel (16) am Isolierkörper (21) festgelegt
ist.
10. Strahlheizkörper mit einem Isolierkörper (21) aus Isoliermaterial und wenigstens
einer darin teilweise eingebetteten Heizwendel (16), dadurch gekennzeichnet, daß
das Innere der Heizwendel (16) über einen Abschnitt (37) ihres Innen-Querschnitts
durch Einbettung in das Isoliermaterial mit diesem gefüllt und dadurch die Heizwendel
am Isolierkörper (21) festgelegt ist, wobei die Oberfläche (26) des Abschnitts (37)
der Abdruck eines aus dem Inneren der Heizwendel (16) entfernten Füllmaterials (17)
ist.
11. Strahlheizkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Isolierkörper (21) aus durch Aushärtung verfestigtem Isoliermaterial besteht und/oder
daß der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Heizwendel (16) größer als die
Drahtdicke ist.