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Elektrisehes Ileiz-oder Kochgerät.
Es sind elektrische Heiz-oder Koehgeräte bekannt, bei welchen bei einer eintretenden Verminderung oder Erhöhung der Temperatur die Heizleistung selbsttätig und ohne bewegliche Organe (nämlich ohne Thermostat, Kontakte oder Relais) gesteigert bzw. vermindert wird.
Die vorliegende Erfindung löst die gleiche Aufgabe in der Weise, dass ein Heizwiderstand von geringer Temperaturabhängigkeit mit einem zu ihm in Serie geschalteten Widerstand von hohem positiven Temperaturkoeffizienten und mit einem zu ihm parallel oder gleichfalls in Serie geschalteten Widerstand von negativem Temperaturkoeffizienten kombiniert angewendet wird. Dabei wird bei ansteigender Temperatur die elektrische Leitfähigkeit von Widerständen mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten vermindert, jene von Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizienten dagegen erhöht.
Zur Erklärung der Wirkungsweise der ers lunten Kombination eines Heizwiderstandes mit zwei Widerständen von entgegengesetztem Temperaturkoeffizienten wird vorerst folgendes ausgeführt.
Wenn man einen gebräuchlichen Heizwiderstand nur mit einem Widerstand von hohem positiven Temperaturkoeffizienten, einem sogenannten Variator, derart in Verbindung bringt, dass bei einer übermässigen Erwärmung des Gerätes, z. B. beim Leerlauf, entweder durch die direkte Einwirkung des Variators, oder durch eine von ihm gesteuerte Schaltanordnung der RÜckgang der Wattaufnahme im Heizsystem oder dessen Abschalten eingeleitet wird, dann ergeben sich zw ei w esentliche Nachteile.
Soll der Variator derart dimensioniert sein, dass die in ihm entwickelte Stromwärme nutzbar zu verwerten ist, d. h., ist die im Variator entwickelte Wärme hinreichend gross, um auf den durch das Gerät nutzbar zu erwärmenden Körper in gleicher Weise überzugehen, wie die im Heizwiderstand entwickelte Stromwärme, dann erhöht sich der Leitungswiderstand des Variators infolge der von ihm entwickelten Eigenwärme bereits während des Nutzbetriebes so bedeutend, dass schon in diesem Falle ein betracht- licher Rückgang in der Wattaufnahme des Gerätes eintritt. Es ist daher mit einer geringeren durchschnittlichen Wattaufnahme im Dauerbetriebe des Gerätes zu rechnen, als dem Anschlusswert desselben, das ist der Wattaufnahme unmittelbar nach dem Einschalten des Gerätes, entspricht.
Wird dem Anschlusswert die beim Einschalten auftretende Wattaufnahme dagegen nicht zugrunde gelegt, sondern die während des Dauerbetriebes reduzierte Wattzahl, dann tritt im Augenblick des Einschaltens eine Art Stromstoss auf, welcher die Sicherung der Stromzuleitung gefährdet. Dieser Stromstoss unterscheidet sich jedoch von der beim Einschalten elektrischer Motoren auftretenden Erscheinung typisch durch seine längere Dauer, welcher die Sicherungen nicht gewachsen sind. Es wäre daher nicht möglich, die zum Betriebe des Gerätes dienende Starkstromleitung auf die normale Wattaufnahme des Gerätes vorzusichern, da die Sicherungen sofort bei Inbetriebsetzung des Apparates durchbrennen.
Anderseits unterliegt die maximal zulässige Stromentnahme aus einer Leitung von gegebenem Querschnitt den behördlichen Sicherheitsvorschriften, so dass es in den meisten Fällen praktisch nicht möglich ist, die Leitung der beim Einschalten kurzzeitig auftretenden erhöhten Wattaufnahme des Gerätes entsprechend höher vorzusichern. Derartige Schwierigkeiten beim Anschluss stellen die praktische Verwendungsmöglichkeit der genannten Variatoren beim Bau elektrothermischer Apparate in Frage.
Der geschilderte Rückgang der Wattaufnahme während des Nutzbetriebes könnte anderseits durch eine bedeutende Erhöhung des Querschnittes im Variator kompensiert werden, wodurch die Watt-
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belastung pro Längeneinheit und damit die Betriebstemperatur sinkt. Dies ergibt aber eine der Querschnittserhöhung proportionale Verlängerung des Variatordrahtes oder Bandes, so dass der zur Unter- bringtlng desselben im Gerät vorgesehene Raum praktisch nicht ausreicht, d. h. das Gerät müsste im Verhältnis zu seiner Nutzleistung zu gross dimensioniert werden, wodurch dessen Wirkungsgrad unzulässig verschlechtert würde.
Eine bloss aus Variator und Heizwiderstand bestehende Anordnung erscheint daher aus den angeführten Gründen zur Herstellung eines selbstregelnden Gerätes nicht ausreichend.
Gemäss der Erfindung wird in die vorerwähnte Schaltungskombination Variator-Heizwiderstand noch ein drittes Element, nämlich ein elektrischer Widerstand mit (zweckmässig hohem negativem Temperaturkoeffizienten eingeführt, der dazu dient, den erwähnten Stromstoss bzw. die im Nutzbetrieb auftretende Wattverminderung zu kompensieren, so dass das Gerät mit dem seiner Stromaufnahme beim Einschalten entsprechenden Anschlusswert dauernd nutzbar betrieben werden kann. Dieser Zusatzwiderstand wird derart dimensioniert, dass seine die Widerstandserhöhung im Variator (Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten) kompensierende Widerstandsverminderung schon während des Nutzbetriebes des Gerätes den Höchstwert erreicht oder zumindest beim Leerlauf nicht mehr bedeutend ansteigt.
Praktisch wird diese Bedingung durch Anbringung des Zusatzwiderstandes in nächster Nähe des Heizwiderstandes oder durch das Umschliessen desselben durch den Heizwiderstand erreicht. Da der Heizwiderstand im Sinne der Konstruktion des Gerätes seine höchste Wattaufnahme und damit die grösste Wärmeabgabe während des Nutzbetriebes aufweist, erreicht auch der Widerstandsrückgang im Zusatzwiderstand bereits während des Nutzbetriebes das Maximum.
Beim Leerlauf des Gerätes wird die gesamte Wattaufnahme des Systems und damit die Entwicklung Joulescher Wärme infolge der Variator- wirkung auf das gesamte Widerstandssystem verringert, welcher Umstand selbst wieder infolge Rückganges der Stromaufnahme die Verminderung in der Entwicklung Joulescher Wärme und dadurch das Ansteigen des Widerstandes im Zusatzwiderstand bedingt, wodurch dieser die Bremswirkung des Variators noch unterstützt.
Die Fig. 1 der Zeichnung enthält das Erfindungsprinzip der bei verschiedenen Arten elektrothermischer Apparate anwendbaren Konstruktion in einem praktischen Beispiel, u. zw. wurde ein elektrisch beheiztes Kochgefäss gewählt.
Eine Heizwicklung a aus Chromnickel oder einem andern für elektrothermische Zwecke geeigneten Widerstandsmaterial ist mit einem Widerstand b von hohem positivem Temperaturkoeffizienten (Variatorwicklung) aus Nickel, Eisen od. dgl. in Serie geschaltet und in einem Raum untergebracht, dessen Innenfläche den Nutzinhalt des Gerätes einschliesst und welcher nach aussen in geeigneter Weise gegen Warmeverluste isoliert ist. Dadurch wird auch die von der Variatorwicklung b entwickelte (allerdings wegen seines gegenüber dem Heizkörper kleinen spezifischen Widerstandes im Nutzbetrieb geringe) Joulesehe Wärme dem Nutzinhalt zum Grossteile zugeführt, geht also nicht in den Aussenraum verloren.
In unmittelbarer Nähe des Heizkörpers a befindet sich, zwar elektrisch isoliert, aber möglichst leicht durch den Heizwiderstand a anwärmbar, ein Widerstand c mit negativem Temperaturkoeffizienten. Als Material für diesen Widerstand eignet sieh Tellur allein oder mit Zusätzen von Schwermetallen, Metalloiden oder Metalloxyden in verschiedenen Mischungsverhältnissen, wie auch die bekannten Heizstäbe aus Karbiden des Siliziums oder der Schwermetalle. Der Widerstand c ist zum Heizwiderstand a entweder zur Gänze oder zu einem Teil desselben parallel geschaltet (Fig. 2) oder zum Heizwiderstand a und damit auch zum Widerstand b in Serie geschaltet (Fig. 3).
Die Wirkungsweise dieser beiden Anschlussarten des Widerstandes c ist verschieden und wird an Hand des Beispieles in Fig. 1 erklärt.
Beim Einschalten zur Nutzarbeit, das ist bei gefülltem Gefäss, erwärmt sich zunächst der Heizwiderstand a auf eine bedeutende tbertemperatur (mehrere hundert Grad Celsius), wobei er bei zweckmässiger Bauart des Gerätes seine Wärme mittelbar über die elektrische Isolationsschichte an die aus Metall bestehenden Teile des Gerätes abgibt. Dadurch wird in erster Linie der dem Heizwiderstand a benachbarte Widerstand c erwärmt, welcher aber auch seinerseits durch die Stromaufnahme selbst Joulesche Wärme entwickelt, wodurch dessen elektrische Leitfähigkeit und damit die Stromaufnahme des ganzen Systems ansteigt.
Gleichzeitig ist aber die elektrische Leitfähigkeit des Widerstandes b durch die durch den Gesamtstrom in b bedingte Wärmeentwicklung bis zu einem oberen Wert verringert, d. h. dessen Leitungswiderstand erhöht worden. Dieser Widerstandsanstieg entspricht dem Produkt aus dem positiven Temperaturkoeffizienten und der maximalen Temperatur im Gerät, doch wird derselbe bereits kurz nach dem Einschalten durch die Abnahme des Leitungswiderstandes im Widerstand c weitgehend kompensiert.
Dabei ist es für die nutzbare Arbeit des Gerätes prinzipiell gleichgültig, ob der Widerstand c parallel oder in Serie zum Heizwiderstand a geschaltet ist ; stets muss durch die Erwärmung des Widerstandes u das Aufholen der durch die Erwärmung des Widerstandes beingetretenen Leistungsverminderung auf den Anschlusswert beim Einschalten des Gerätes auftreten. Beim weiteren Temperaturanstieg im System, das ist z. B. dann der Fall, wenn das zu heizende Gefäss od. dgl. nur mehr wenig Wärme aufnimmt (Leerlauf), ergibt sich aber ein wesentlich verschiedenes Bild der Wattaufnahme je nach Schaltungsart des Widerstandes e,
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Bei Anwendung der Parallelschaltung (Fig. 2) shuntet der Widerstand c den Heizwiderstand a.
Der Zusatzwiderstand c wird daher bei Überhitzung des Gerätes (beim Leerlauf) auch weiterhin seinen Eigenwiderstand und damit im Verhältnis zum Heizwiderstand a immer mehr den Gesamtwiderstand des Systems vermindern und in jedem Falle der Widerstandserhöhung im Widerstand b entgegenwirken.
Bei der Serienschaltung (Fig. 3) kann dagegen der Widerstand c nur insoweit beeinflussend wirken. als sich bei erhöhter Temperatur sein Eigenwiderstand vermindert. Der durch Widerstand b und Heizwiderstand a gebotene Summenwiderstand wird jedoch hiedurch nicht berührt. Da hier aber der Widerstand c vom Gesamtstrom durchflossen wird, der durch die Wirkung des Widerstandes b bei Leerlauf abnimmt, so erreicht auch der Eigenwiderstand in c einen konstanten Wert, da seinem durch die von aussen durch Speicherung beim Leerlauf zugeführte Wärme bedingten Widerstandsrückgang die durch die Stromverminderung bewirkte Reduktion der in ihm selbst entwickelten Jouleschen Wärme entgegenwirkt.
Als weiteres praktisches Ergebnis aus den vorstehend angeführten elektrothermisehen Vorgängen ergibt sich die unmittelbare Vereinigung des Heizwiderstandes a mit dem Widerstand c in Form eines einzigen kombinierten Heizkörpers, der in Fig. 4 ersichtlich ist. Bettet man den Heizwiderstand a (Heiz- draht, Heizstab od. dgl. ) in eine keramische Masse c'ein, die einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, dann wird dessen Wattaufnahme in dem Ausmasse ansteigen, als der elektrische Widerstand der Einbettungsmasse c'infolge der vom Heizwiderstand unmittelbar abgegebenen Wärme sinkt.
Zur Herstellung einer solchen Masse eignet sich eine Mischung von ein oder mehreren Oxyden der Schwermetalle, insbesondere des Zirkons, Vanadiums oder Titans mit den für die Herstellung keramischer Heizkörper verwendbaren Tonen oder bzw. und Magnesiaverbindungen. Es ist auf diese Weise leicht möglich, die erwähnten temperaturabhängigen Halbleiter zu bilden.
An Stelle der vorerwähnten Anordnung von Heizwiderstand a und Einbettungsmasse c'mit temperaturbedingter Zunahme der Leitfähigkeit kann ein elektrischer Heizkörper mit negativem Temperaturkoeffizienten treten, wie solche in Art der bekannten Siliziumkarbids Verstände oder Kohlemischungen an sich bekannt und im Handel erhältlich sind.
Ferner kann der Heizwiderstand vom Widerstand b (Variator) selbst zur Gänze oder zum Teil gebildet werden, u. zw. dann, wenn der Widerstand b in eine keramische Masse c'eingebaut ist (Fig. 5), die einen negativen Temperaturkoeffizienten hat oder, genauer gesagt, deren elektrische Leitfähigkeit bis zu einer vorgegebenen maximalen Temperatur in dem Masse ansteigt, als das Leitvermögen des Widerstandes b infolge Erwärmung abnimmt. Über dieser vorgeschriebenen Maximaltemperatur, z. B. der oberen Grenze der nutzbaren Erwärmung, übersteigt die Widerstandszunahme des Widerstandes b wesentlich die Widerstandsabnahme in der Masse c', so dass die Bremswirkung. d. h. die Verminderung der Wattaufnahme beim Leerlauf, automatisch eintritt.
Das beschriebene selbststeuernde Gerät kann zum Zwecke der oberen Temperaturbegrenzung mit
EMI3.1
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisches Heiz- oder Kochgerät, das bei Verminderung bzw. Erhöhung der Temperatur die Heizleistung selbsttätig und ohne bewegliche Organe steigert bzw. vermindert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizwiderstand (a) von geringer Temperaturabhängigkeit mit einem zu ihm in Serie geschalteten Widerstand (b) von hohem positiven Temperaturkoeffizienten und mit einem zu ihm parallel oder gleichfalls in Serie geschalteten Widerstand (e) von negativem Temperaturkoeffizienten kombiniert ist, wobei beide Widerstände (b, e) der Wärmebeeinflussung des Heizwiderstandes (a) ausgesetzt sind.