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Druckabhängig arbeitendes Steuergerät für elektrische
Durchlauferhitzer Die Erfindung betrifft ein druckabhängig arbeitendes Steuergerät für elektrische Durchlauferhitzer mit zwei einseitig beaufschlagten, über an ihrer beaufschlagungsfreien Seite angreifende Fühler einen Steu- erschalter od. dgl. für die Heizwicklungen im Ein-bzw. Ausschaltsinn betätigende Membranen, von de- nen zumindest die Einschaltmembran von der zu erhitzenden Flüssigkeit beaufschlagt ist.
Bei einem bekannten Steuergerät dieser Art sind die beiden Membranen vor und nach einer Drosselstelle im Durchlaufweg der Flüssigkeit angeschlossen, als Metallmembranen ausgebildet und untereinander gleich gross und gleich stark ausgeführt, so dass sie juf gleiche Drücke ansprechen.
Der Zweck dieser Konstruktion ist es, die wahlweise Anordnung eines Absperrorgans für die Flüssigkeit vor und nach dem Durchlauferhitzer zu ermöglichen. Ist das Absperrorgan vor dem Durchlauferhitzer vorgesehen, dann schliesst beim Öffnen der Wasserzufuhr die vor der Drosselstelle angeschlossene Membran über mit ihr verbundene Schalter die Stromkreise der Heizwicklungen, während die nach der Drosselstelle angeschlossene Membran bei dieser Anschlussart dauernd unbetätigt bleibt.
Liegt das Absperrorgan hinter dem Durchlauferhitzer, also ablaufseitig, dann sind im Ruhezustand beide Membranen beaufschlagt, so dass zwar die vor der Drosselstelle liegende Membran den zugehörigen Schalter geschlossen hält, die nach der Drosselstelle liegende Membran aber einen in Serie mit dem ersten Schalter liegenden Schalter, der praktisch mit Ruhekontakten versehen ist, in der Offenstellung hält. Wird nunmehr das Absperrorgan geöffnet, dann sinkt die Beaufschlagung der hinter der Drosselstelle angeschlossenen Membran unter den Ansprechdruck dieser Membran ab, so dass diese Membran in ihre Ruhestellung zurückkehrt, die mit ihr verbundenen Ruhekontakte schliessen und der Stromkreis der Heizwicklungen bis zum Schliessen des Absperrorgans über die von der vor der Drosselstelle angeschlossene Membran betätigten Kontakte geschlossen bleibt.
Bei diesem bekannten Steuergerät ist also jeweils nur eine einzige Membran in Tätigkeit, wobei der mit ihr verbundene Schalter für den jeweiligen Anschlussfall als alleiniger Ein-und Ausschalter arbeitet. Derartige, beim Öftnen eines im Flüssigkeitsweg liegenden Absperrorgans den Heizwicklungsstromkreis schliessende, beim Schliessen des Absperrorgans aber öffnende Membranschalter reichen insbesondere bei Durchlauferhitzern mit kleinem Füllvolumen und hoher Heizleistung nicht aus, um ein betriebssicheres Arbeiten des Erhitzers zu gewährleisten.
An sich haben einseitig beaufschlagte Metallmembranen für diese Zwecke den Vorteil, dass sie vorgespannt werden können und also in ihrer Bewegung, die auf die Kontakte über einen Fühler übertragen wird, nicht genau den jeweiligen Druckverhältnissen folgen, sondern jeweils bis zu einem bestimmten Ansprechdruck in der einen oder andern Endstellung verbleiben und dann schlagartig in die andere Endstellung umschnappen. Diese Art der Membranbewegung ist für das Schliessen und insbesondere Öffnen elektrischer Kontakte, die als Leistungsschalter arbeiten, vorteilhaft, weil dadurch grössere Schaltfunken und Lichtbögen beim Schalten verhindert werden.
Anderseits haben Metallmembranen verschiedene Nachteile. Vor allem müssen sie, um die auftretenden Drücke bewältigen zu können, verhältnismässig stark ausgeführt werden, wodurch sich eine durch das Vorspannen noch erhöhte Steifigkeit ergibt, so dass derartige Membranen nur dann Verwendung finden können, wenn hinreichend hohe Wasserleitungsdrücke (in der Praxis mehr als zwei atü) zur Verfügung stehen. Die Schaltbewegung wird auf die Kontakte mit Hilfe von stiftförmigen Fühlern übertragen, die mit einer nur kleinen Fläche auf der Membran aufsitzen, so dass sich in diesem Bereich eine be-
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deutende Belastung ergibt, die häufig Beschädigungen der Membran bedingt.
Schliesslich sind Metallmembranen der Korrosion durch die anströmende Flüssigkeit ausgesetzt. Bei
Geräten mit nur einer einzigen Einschaltmembran ist es zwar bereits bekannt, diese Membran als Gum- mimembran auszubilden, die sich bei der Beaufschlagung grossflächig an einen an ihrer beaufschlagungs- freien Seite angeordneten Fühler anlegt, doch lassen sich mit derartigen Membranen bei der bisher be- kannten Konstruktion nur schleichende Kontaktbewegungen erzielen, so dass allein aus diesem Grund die
Verwendung von Gummimembranen, die allerdings bei Gasdurchlauferhitzern häufig Verwendung fin- den, bisher für elektrische Durchlauferhitzer nur sehr bedingt möglich erschien.
Aus der Erkenntnis heraus, dass eine einzige Steuerkomponente nicht ausreicht, um die Betriebssi- cherheit eines Durchlauferhitzers zu gewährleisten, geht man immer mehr dazu über, an Stelle des rei- nen Ein-Ausschalters, wie er vorstehend beschrieben wurde, Steuergeräte zu verwenden, in denen für die
Steuerung zumindest zwei Steuerkomponenten verarbeitet werden.
So ist es bekannt, für die Steuerung sogenannte Differenzdruckschalter und in Verbindung mit diesen oder auch in Verbindung mit nur von einer Druckkomponente abhängig arbeitenden Schaltern, temperaturempfindliche Schalter vorzusehen. Die bekannten Differenzdruckschalter besitzen wieder eine Membran, die aber beidseitig beaufschlagbar ist, wobei die eine Membranseite mit dem Flüssigkeitsweg vor, die andere aber mit dem Flüssigkeitsweg hinter einer in diesen eingeschalteten Drosselstelle in Verbindung steht, so dass die Membranverstellung vom Differenzdruck abhängt. Selbst wenn man hier die Membran als vorgespannte Metallmembran ausbildet, lassen sich doch nur schleichende Membranbewegungen erzielen, weil die die Membran beidseitig beaufschlagende Flüssigkeit jede Membranhewegung dämpft.
Diese bekannten Differenzdruckschalter sprechen überdies erst auf grosse Druckunterschiede an.
Noch ungünstiger liegen die Verhältnisse dann, wenn eine derartige beidseits beaufschlagte Membran als Übertemperatursicherung dienen soll. In diesem Fall wird die Membran aus Bimetall hergestellt und krümmt sich dann, wenn die den Erhitzer verlassende Flüssigkeit über längere Zeiten unzulässig hohe Temperaturen aufweist, so durch, dass der Schalter für die Heizleiter über den wieder vorgesehenen Fühler im Abschaltsinn betätigt wird.
Zufolge der Herstellung aus Bimetall lassen sich nur wesentlich schlechtere Federeigenschaften der Membran erzielen und es kommt noch schneller als bei andern Membranen mit Stiftfühler zu Ermüdungserscheinungen des Membranmaterials. Dabei wird durch derartige Bimetallmembranen nicht einmal ein ausreichender Überhitzungsschutz erzielt, weil das Bimetall an der einen Seite mit kalter oder nur mässig vorgewärmter Flüssigkeit beaufschlagt, also gekühlt wird, so dass das von Haus aus träge Ansprechen des Bimetalls noch verzögert wird.
Auch andere bei Durchlauferhitzern vorgesehene Bimetallthermostaten, die direkt Abschaltkontakte betätigen, haben sich nicht bewährt, weil sie viel zu träge ansprechen. Ein grundlegender Nachteil der Differenzdruckschalter mit beidseits beaufschlagter Membran besteht weiterhin darin, dass es äusserst schwierig ist, den Fühler abgedichtet aus dem beidseits der Membran liegenden, mit Flüssigkeit gefüllten Raum herauszuführen. Um dies zu erreichen, müssen in dem die Membran umgebenden Gehäuse Stopfbuchsen angebracht werden, durch die der wieder als in seiner Achsrichtung verschiebbarer Stift ausgebildete Fühler hindurchgeführt wird.
Um den Platzbedarf nicht unnötig zu vergrössern, werden die Membrangehäuse meist als Blechpressteile ausgeführt, in denen die Stopfbuchsen untergebracht sind. In diesen Stopfbuchsen ergibt sich eine beträchtliche Reibung, durch die die Empfindlichkeit des gesamten Steuergerätes, das zufolge der vorstehend beschriebenen Mängel ohnehin nur bei grossen Druckdifferenzen einigermassen sicher arbeitet, noch weiter herabgesetzt wird. Die erwähnten Abdichtungen werden oft undicht und es kann dann zu einem Wasserzutritt zu den Kontakten kommen, so dass sich Beschädigungen der Kontakte, Ableitströ, me und verstärkte Lichtbogen- und Funkenbildungen bei den Schaltvorgängen ergeben.
Alle aufgezeigten Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Diese betrifft ein Steuergerät der eingangs genannten Art und besteht im wesentlichen darin, dass die beiden Membranen mit gegeneinanderweisenden beaufschlagungsfreien Seiten angeordnet sind und zwischen ihnen ein gemeinsamer, von beiden Membranen jeweils in Richtung auf die andere Membran zu verstellbarer Fühler lagert, der über Federn und bzw. oder durch verschieden grosse Ausbildung seiner Anlageflächen für die Membranen im Abschaltsinn vorbelastet ist, wobei zumindest die von der Durchlaufflüssigkeit beaufschlagte Einschaltmembran, vorzugsweise aber beide Membranen in an sich bekannter Weise aus weichem, elastisch verformbarem Material, insbesondere Gummi hergestellt sind.
Ein erfindungsgemässes Steuergerät gibt die Möglichkeit, zumindest zwei Steuerkomponenten, deren eine durch den Flüssigkeitsdruck gegeben ist, deren andere aber aus dem hinter einer Drosselstelle ge-
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messenen, also ablaufseitigen Flüssigkeitsdruck und bzw. oder aus der Flüssigkeitstemperatur gegeben sein kann, feinfühlig und praktisch ohne Verluste zu einer resultierenden Steuerbewegung des Fühlers zusam- menzusetzen, wobei durch die Vorbelastung des Fühlers im Abschaltsinn gewährleistet ist, dass die Ab- schaltung, die beispielsweise wegen des Absinkens der Temperaturdifferenz unter den vorbestimmten Wert, was die Folge eines zu geringen Flüssigkeitsdurchsatzes ist, oder des Ansteigens der Flüssigkeitstempera- tur über dem Sollwert notwendig wird, in kürzester Zeit erfolgt.
Durch die Vorbelastung und eine entsprechende Formgebung des Fühlers lassen sich trotz der verwen- deten, weichen Membranen, die der Formveränderung durch die verschiedenen Drücke nur geringen Wi- derstand entgegensetzen und also praktisch verlustfrei arbeiten sowie überdies gegen Korrosion unemp- findlich sind, schlagartige Fühler- und damit Kontaktbewegungen erzielen, wie sie gerade bei grösseren
Heizleistungen unbedingt erforderlich sind.
Durch verschiedene Formgebung der beiden Fühlerseiten, ent- sprechende Bemessung der den Fühler vorbelastenden Federn usw. lässt sich die jeweils gewünschte Schalt- grenze sehr genau und fein einstellen, so dass sowohl bei verhältnismässig niedrigen Flüssigkeitsdrücken, bei denen übliche Differenzdruckschalter nicht mehr verwendbar wären, gearbeitet werden kann als auch eine solche Einstellung des Steuergerätes möglich wird, dass es ohne Gefährdung des Durchlauferhitzers erst knapp vor dem Erreichen einer durch einen bestimmten minimalen Druckunterschied oder eine höch- ste zulässige Temperatur gegebenen Gefahrengrenze abschaltet.
Bei den bekannten Steuergeräten musste dagegen wegen des trägen Ansprechens ein wesentlich grö- sserer Sicherheitsabstand des Abschaltpunktes vom Gefahrenpunkt eingehalten werden. Bei dem erfindungs- gemässen Steuergerät ist es möglich, gegen die von der Einschaltmembran abgewendeten Seite des Füh- lers entweder eine von der Durchlaufflüssigkeit beaufschlagte, aber hinter einer Drosselstelle mit dieser in Verbindung stehende Membran und/oder eine Membran eines von der Durchlaufflüssigkeit beaufschlag- ten Flüssigkeitsthermostaten wirken zu lassen.
Weitere Einzelheiten und zweckmässige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung hervor.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 ein auf einem elektrischen Durchlauferhitzer montiertes Steuergerät in der Ausschaltstellung im Schnitt und Fig. 2 eine Variante zu dem Gerät nach Fig. l, ebenfalls im Schnitt, wobei das Gerät in der Einschaltstellung veranschaulicht wurde und zusätzlich mit einer Übertemperatursicherung versehen ist.
Von einem elektrischen Durchlauferhitzer wurde unter Weglassung des Verkleidungsgehäuses und der Einzelheiten der Schalteinrichtungen lediglich ein Kunststoffblock l, der beispielsweise aus Plexiglas hergestellt ist, dargestellt.
In diesem Kunststoffblock von beispielsweise rechteckig-prismatischer Form sind Längsbohrungen 2,3 vorgesehen. Die Bohrungen 2 weisen einen kleineren Querschnitt als die Bohrungen 3 auf. In den Bohrungen 3 sind beim Ausführungsbeispiel blanke Heizleiter 4 in Form von Wendeln untergebracht. Die Bohrungen 2 und 3 sind am Ende des Kunststoffblockes miteinander verbunden, so dass das über eine der Bohrungen 2 zugeführte Wasser zunächst über zwei (in Fig. l rechts dargestellte) Bohrungen 2 fliesst, dann nach Passieren einer beispielsweise von einer in eine der Bohrungen einragenden Schraube gebildeten Drosselstelle in einen der Kanäle 3 übertritt und nach Durchfliessen dieser Bohrungen 3 wieder über zwei (in Fig. l links dargestellten) Bohrungen 2, die vom Wasser nacheinander durchflossen werden, austritt.
Die Bohrungen 2 dienen als Vor- und Nachlaufkanäle bzw. die mittlere Bohrung 2 zur Verbindung von zwei Bohrungen 3. Die Verbindung der Bohrungen 2, 3 untereinander kann über im Ende des Blockes ausgearbeitete Querkanäle oder Querbohrungen bzw. in einem auf den Block aufgeklebten oder aufgeschraubten Deckel vorgesehenen Kanäle erfolgen. Von der einen vor der Drosselstelle vom Wasser durchströmten Bohrung 2 zweigt eine Querbohrung 5 ab, die oben in einer kreisrunden Ausnehmung 6 des Kunststoffblockes 1 mündet. Diese Ausnehmung 6 ist durch eine ebenfalls kreisrunde, im Durchmesser grösser als die Höhlung gehaltene, als Membran dienende Gummiplatte 7 abgeschlossen, die mit ihrem Rand auf dem Kunststoffblock 1 aufliegt.
Im Auflagebereichist die Membran 7 mit Hilfe eines Spannringes 8, dessen Aussendurchmesser. etwas grösser als jener der Membran 7 gehalten ist und dessen Innendurchmesser etwa dem der Höhlung 6 entspricht, am Kunststoffblock l festgespannt. Der Ring 8 besitzt eine Ausnehmung 9, in die die Membran 7 eingelegt ist, deren Tiefe aber kleiner als die Höhe der entspannten Membran gehalten ist, so dass sich die zunächst flache Gummiplatte beim Festspannen des Ringes 8, wie in Fig. l dargestellt, zufolge der Materialverdrängung im Bereich der Ausnehmung 9 über der Höhlung 6 auswölbt.
Ferner ist zwischen dem Ring 8 und der Membran noch eine mit ihrem Rand ebenfalls in eine entsprechende Ausnehmung des Ringes 8 eingreifende, vorgepresste Metallmembran 10 eingespannt, die den
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freien Teil der Membran 7 nach oben hin abdeckt. Zwischen der oberen Stirnseite des Ringes 8 und einem auf diesen aufsetzbaren Deckel 11 ist ebenfalls eine Gummimembran 12 eingespannt, die die Ringöffnung abdeckt und für deren Spiel und Beaufschlagung im Deckelteil 11 in Fortsetzung der Ringöffnung eine Ausnehmung 13 vorgesehen ist. Die Membran 7,12, der Ring 8 sowie der Deckel 11 sind über sie durchsetzende (nicht dargestellte) Schrauben am Kunststoffblock 1 festgespannt.
Die Ausnehmung 13 steht, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, über eine Querbohrung 14 des Deckelteiles 11, die am Ende durch einen Stopfen 16 verschlossen ist, und eine weitere, in der Bohrung 14 mündende, durch den Deckel 11, die Membran 12, den Spannring 8, die Membran 7 und den Kunststoffkörper 1 geführte Bohrung 15 mit der einen der beiden in Fig. l links dargestellten, als Nachlaufkanäle dienenden Bohrungen 2 - die hinter der Drosselstelle den Durchflussweg der Flüssigkeit bilden-in Verbindung. Zwischen den beiden Membranen 7 und 12 lagert im Innern des Ringes 8 ein scheibenartiger Fühler'17. Dieser Fühler ist mit geringem Umfangsspiel in der Ringöffnung gelagert. Seine Höhe ist um die vorgesehene Hubhöhe kleiner als die Höhe des Ringes 8 gehalten.
Die obere Stirnfläche 18 ist konvex gewölbt, während die untere Stirnfläche 19 von der Mitte nach aussen einmal konisch abgesetzt ist. Der Fühler 17 ist über eine ihn quer durchsetzende Stange 20, die durch Langlöcher 21 des Ringes 8 nach aussen geführt ist und deren Enden 22 hochgebogen sind, mit einer Isolierbrücke 23 verbunden, an der mit Schrauben 24 Kontaktfedern 25 befestigt sind, die die beweglichen Kontakte eines Ein- und Ausschalters für die Heizwendeln 4 bilden.
Durch Anheben der Kontaktbrücke 23 werden die Schaltkontakte geschlossen, durch Absenken der Kontaktbrücke (Fig. l) geöffnet. Wenn beim normalen Betrieb die Flüssigkeitszufuhr geöffnet wird, dann baut sich zufolge der Drosselstelle an der Unterseite der über die Höhlung 6 beaufschlagten Membran 7 ein Druck auf, so dass sich die Membran zunächst an die Federmembran 10 anlegt und diese, sobald der Druck
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Falls bei geöffnetem Wasserzulauf der Wasserablauf gehemmt wird, wird die Membran 12 beaufschlagt und legt sich, wenn der Gegendruck einen bestimmten Wert übersteigt, mit ihrer gesamten freien Fläche an die konvex gewölbte Stirnseite 18 des Fühlers 17 an, so dass der Fühler durch den praktisch auf seine ganze Fläche wirkenden Gegendruck in die Ausschaltstellung gepresst wird und dabei die Membrane 8 und 10 - die nur auf eine kleinere Fühlerfläche wirken - zurückdrückt. Dabei kann sich zufolge der Weichheit des Membranmaterials die Membran 7 etwas flacher wölben, d. h. dass die unter dem Mittelteil der Membran verdrängte Flüssigkeit in die Randpartien der Membran ausweichen kann, so dass kein Zurückdrücken der in der Höhlung 6 befindlichen Flüssigkeit in die Bohrung 5 stattfindet.
Ähnliche Verhältnisse liegen beim Einschalten an der Membran 12 vor. Da ferner die im Ringraum befindliche Luft über die Öffnungen 21 frei aus-und eintreten kann, arbeiten die Membranen 7, 12 ebenso gut, als ob jede für sich auf einen eigenen Fühler (ohne Gegenmembran) wirken würde. Es wäre auch möglich, die Federmembran 10 wegzulassen und nur die Membranen 7,12 zur Steuerung zu verwenden, wobei dann allerdings die Membranfläche 19 etwas stärker als dargestellt abgesetzt werden müsste, so dass die Membran 8 nur auf eine kleine Fläche des Fühlers wirken könnte, dagegen die Membran 12 wie dargestellt die volle Stirnfläche 18 beaufschlagt. Auch dabei kommt es bereits dann, wenn der abflussseitige Druck noch niedriger als der zuflussseitige ist, zu einer Betätigung des Fühlers im Abschaltsinn.
Wie in Fig. 2 zusätzlich angedeutet wurde, kann das Steuergerät mit einer Übertemperatursicherung kombiniert sein. Nach Fig. 2 ist zu diesem Zweck in die entsprechend grösser bemessene Deckelhöhlung 13 ein Kleinbehälter 26 eingesetzt, der gegen die Membran 12 zu von einem zu dieser etwa parallelen Metallmembran 27 abgeschlossen ist und eine Füllung aus einer Ausdehnungsflüssigkeit, die beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur verdampft, aufweist.
Als Ausdehnungsflüssigkeit kommt beispielsweise Dichloräthylen, Alkohol, Äther oder ein Gemisch dieser Flüssigkeiten in Frage. Alle diese Flüssigkeiten besitzen Siedepunkte zwischen 50 und 750 C. Bei dieser Anordnung wird vorzugsweise die gesamte erhitzte Flüssigkeit über die Bohrung 15 und eine weitere nicht dargestellte Bohrung zu der zum Ausfluss führenden Bohrung des Kunststoffblockes geleitet, so dass die Temperatur der Ausdehnungsflüssigkeit stets jener der erhitzten Flüssigkeit im Durchlauferhitzer entspricht. Wenn diese Temperatur den eingestellten Wert übersteigt, dann federt die Membran 27 nach aussen und drückt den Fühler im Abschaltsinn nach unten. Zwischen den Membranen 12,27 bleibt in der Ruhestellung hinreichend Platz, so dass aucheine Abschaltung durch reinen Gegendruck möglich ist. Ebenfalls können die Membranen 12,27 auch gemeinsam abschalten.