Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an einem elektrischen Widerstandsheizgerät, z. B. an einem Warmwasserspeicher, Waschmaschine oder Raumheizkörper, zum Begrenzen der Temperatur des Heizkörpers auf einen bestimmten Wert, um z. B. den Heizkörper gegen Über hitzung beim Trockenkochen zu schützen, wobei der Heizkörper in einem zusammengepackten pulverförmigen Isoliermaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten eingebettet liegt und die im Heizkörper entwickelte Wärme an die Umgebung übertragen wird.
Die Heizkörper dieser Art, die in erster Linie in Frage kommen, sind Rohrheizkörper, die wie allgemein bekannt aus einem Metallrohr, wenigstens einem in diesem Metallrohr gleichachsig angeordneten schraubenförmig gewundenen Widerstandsdraht und einer im Rohr zusammengepackten und den Widerstandsdraht dicht einschliessenden Füllung eines pulverförmigen Isoliermaterials, wie Magnesiumoxyd, bestehen.
Es ist allgemein gebräuchlich, elektrische Heizgeräte mit Hilfe von Thermostaten gegen Überhitzung zu schützen, die entweder auf die Temperatur des geheizten Mediums oder, betreffend derartiger Heizgeräte, die mit Rohrheizkörpern versehen sind, auf die Temperatur der letzteren ansprechen, z. B. durch Verwendung eines im Isoliermaterial der Rohrheizkörper eingebetteten Temperaturfühlers, der dann also die Temperatur des Isoliermaterials abfühlt. Ein derartiger Überhitzungsschutz mittels Thermostaten hat aber den Nachteil einer nicht vernachlässigbaren Trägheit, da diese mechanische Elemente einschliessen, bei welchen eine gewisse Bewegung beim Erreichen des eingestellten höchsten zulässigen Temperaturwerts ziemlich langsam ausgelöst wird, um die Stromzufuhr zu den Heizgeräten abzuschalten.
Es ist auch bekannt bei gewissen Arten von elektrischen Widerstandsheizkörpern, wie elektrischen Bettdecken und dergleichen, einen Schutz gegen Überhitzung zu erzielen durch Begrenzung ihrer Temperatur auf ein bestimmtes Maximum mit Hilfe eines in Berührung mit dem Isoliermaterial der Heizkörper befindlichen Leiters zum Herausnehmen eines vom Widerstandsdraht durch das Isoliermaterial passierenden Ableitungsstroms und einem als Steuergerät und auch als Abschaltgerät wirkenden Relais mit zwei Spulen, das einen im Stromkreis des Widerstandsdrahtes eingeschalteten Schliess- oder Arbeitskontakt hat und während des normalen Betriebs dadurch erregt gehalten wird, dass die eine seiner Spulen als eine parallel zum Widerstandsdraht eingeschaltete Haltespule dient.
Die andere Spule des Relais ist eingerichtet, das Relais zum Abfall zu bringen und damit den Strom zum Widerstandsdraht in Abhängigkeit des bei örtlicher Überhitzung entstehenden erhöhten Ableitungsstroms durch das Isoliermaterial des Widerstandsheizkörpers auszuschalten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung benutzt auch den bei Temperaturerhöhung vergrösserte Ableitungsstrom durch das Isoliermaterial von Widerstandsheizkörpern als die auslösende Grösse bei Überhitzung. Bei dieser Vorrichtung geschieht die Begrenzung der Temperatur des Heizkörpers auf einen bestimmten Wert mit Hilfe eines in Berührung mit dem Isoliermaterial des betreffenden Widerstandsheizkörpers befindlichen Leiters zum Herausnehmen eines vom Widerstandsheizkörper durch das Isoliermaterial passierenden Ableitungsstroms und eines Steuergeräts, das eingerichtet ist, zum Ausschalten des dem Widerstandsheizkörper zugeführten Stromes in Abhängigkeit davon wirksam zu werden, dass der Ableitungsstrom infolge des bei Temperaturerhöhung abnehmenden Widerstands des Isoliermaterials bis zu einem vorausbestimmten kritischen Wert steigt.
Das für die Vorrichtung wesentlich Kennzeichnende, wodurch sie sich vor allem von den obengenannten bekannten Vorrichtungen unterscheidet, ist, dass das Steuergerät ein Einweg oder Doppelwegthyristor ist und dass es zwischen Widerstandsheizkörper und dem genannten Leiter zum Herausführen des Ableitungsstromes derart eingeschaltet ist, dass eine Triggerschaltung gebildet ist, bei der der Ableitungsstrom auf die Steuerelektrode des Steuergeräts wirkt, damit er beim Erreichen eines bestimmten Wertes die Ausschaltung des Stromes im Widerstandsheizkörper bewirkt
Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung einiger schematischen Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Fig. list ein Längenschnitt durch einen konventionellen Rohrheizkörper in einer stark schematischen Form.
Fig. 2 ist ein Längenschnitt durch einen Rohrheizkörper mit einem Widerstandsdraht, dessen beiden Enden an demselben Ende des Körpers herausgenommen sind, und mit einem im Isoliermaterial eingeschlossenen Leiter zum Herausnehmen von Ableitungsstrom. Fig. 3 ist ein L ngenschnitt durch einen doppelisolierten Rohrheizkörper gleichfalls in einer stark schematischen Form. Fig. 4-6 sind vereinfachte Schaltbilder einer Vorrichtung nach der Erfindung bei einem Rohrheizkörper der im Fig. 1, 2 bzw. 3 gezeigten Art.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Rohrheizkörpern beschrieben.
Der Rohrheizkörper in Fig. 1 umfasst einen schraubengewundenen Widerstandsdraht 1, ein zusammengepacktes pulverförmiges Isoliermaterial (Magnesiumoxyd) 2, in dem der Draht 1 eingebettet ist, und ein metallisches Mantelrohr 3, das das Isoliermaterial 2 und den Draht 1 umschliesst. Die Enden des Mantelrohres 3 sind durch isolierende Pfropfen 4 dicht verschlossen, durch die an den Enden des Widerstandsdrahtes festgelötete oder festgeschweisste Endleiter austreten, um Anschlusskontakte des Rohrheizkörpers zu bilden.
Fig. 4 zeigt diesen Rohrheizkörper an eine Wechselstromquelle 6 gelegt. Für das Mantelrohr 3 des Körpers wird in diesem Fall, der nur zum Erläutern des Grundprinzips der Erfindung bestimmt ist angenommen, dass es nicht geerdet (was praktisch das Vorhandensein eines vom Mantelrohr 3 isolierten und dieses umgebenden geerdeten Schutzmantels erfordern würde) und mit der Steuerelektrode 8 eines Thyristors 7 verbunden ist, während der Widerstandsdraht 1 durch den einen Endleiter 5 an die Anode 9 des Thyristors angeschlossen ist. (Im vorliegenden gedachten Fall, wo das Mantelrohr 3 nicht geerdet ist, ist es ohne Bedeutung, welcher der beiden Endleiter an die Steuerelektrode angeschlossen ist) Die Anode 9 ist somit auch unmittelbar mit dem einen Anschlusskontakt der Wechselstromquelle verbunden.
Ein Relais (oder ein Schütz) 10 zum Ein- und Ausschaltung des Rohrheizkörpers hat seine Spule zwischen dem anderen Anschlusskontakt der Wechselstromquelle 6 und der Kathode 11 des Thyristors eingeschaltet, und sein Hauptkontakt 12 ist in der Leitung von der Wechselstromquelle zum anderen Endleiter 5 des Rohrheizkörpers (nach dem Anschlusspunkt der Relaisspule an dieser Leitung) eingesetzt.
Der Hauptkontakt 12 ist, gegen die Gewohnheit, als ein Unterbrechungs- oder Ruhekontakt angeordnet, d. h. er unterbricht den Stromkreis, wenn das Relais erregt wird. Das Relais 10 hat weiter einen als Haltekontakt dienenden Schliessoder Arbeitskontakt 13, der zwischen dem mit der Thyristorkathode 11 verbundenen Ende und dem obengenannten einen Anschlusskontakt der Stromquelle 6 eingeschaltet ist, so dass das Relais erregt bleibt (der Stromkreis des Rohrheizkörpers ist gebrochen), nachdem es infolge eines kurzen Stromstosses durch den Thyristor erregt wurde.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist im Prinzip wie folgt. So lange wie das Heizgerät (z. B. ein Warmwasserspeicher oder eine Waschmaschine oder ein Raumheizkörper), in dem der Rohrheizkörper eingebaut ist, sich im normalen Betrieb befindet, behält der Rohrheizkörper eine Tempera tur, bei der der Ableitungsstrom durch das Isoliermaterial 2 unter einem einer zulässigen Maximumtemperatur entsprechenden Wert liegt. Dieser Ableitungsstrom bildet wie aus dem Schaltbild in Fig. 4 hervorgeht den Steuerstrom zur Steuerelektrode 8 des Thyristors 7. Wenn aus irgendeinem Grund, z. B.
Trockenkochen einer Waschmaschine oder Überdecken eines Raumheizkörpers, die Temperatur des Isoliermaterials über diesen Wert hinaus steigen würde, wird der Ableitungsstrom infolge der negativen Widerstandskennlinie des Materials zunehmen, wobei er einen von der Anodenspannung des Thyristors, d. h. hier der Spannung der Wechselstromquelle 6, abhängigen Wert erreichen kann, bei dem der Thyristor eingeschaltet wird, so dass das Relais 10 erregt wird und der Verbraucherstromkreis des Rohrheizkörpers am Hauptkontakt 12 unterbrochen wird. Es soll bemerkt werden, dass obwohl der Thyristor 7, nachdem er während einer Halbperiode des Wechselstromes gezündet wurde, während der folgenden entgegengesetzt gerichteten Halbperiode infolge der Umkehr der Anodenspannung gelöscht wird, dies keinen Einfluss auf das Relais 10 hat, das über dem Haltekontakt 13 erregt bleibt.
Der in Fig. 2 gezeigte Rohrheizkörper gehört zu der Art, deren Widerstandsdraht 1 sich hin und her in dem am einen Ende geschlossenen Mantelrohr 3 erstreckt, wobei beide Enden des Drahtes durch einen isolierenden Pfropfen 4 an dem anderen Ende des Rohrheizkörpers herausgenommen sind. Durch den Pfropfen 4 ist auch ein Leiter 14 zentral in das Mantelrohr 3 eingeführt und dicht im Isoliermaterial 2 eingebettet. Dieser Leiter 14 ist anstelle des Mantelrohres 3 an der Steuerelektrode 8 des Thyristors 7 in einer Schaltung nach Fig. 5 angeschlossen, die im übrigen der Schaltung in Fig. 4 ganz gleich ist. Das Mantelrohr 3 kann dabei selbst geerdet sein.
Die Wirkungsweise der Schaltung in Fig. 5 ist wie man versteht dieselbe wie oben für Fig. 4 beschrieben wurde, indem der Steuerstrom zur Steuerelektrode 8 des Thyristors 7 von dem Ableitungsstrom zwischen dem Widerstandsdraht 1 und dem Leiter 14 dargestellt wird.
Der doppelisolierte Rohrheizkörper in Fig. 3 kann angesehen werden, aus einem Rohrheizkörper nach Fig. 1 zu bestehen, der in seiner ganzen Länge ausser an den Enden von einer Schicht zusammengepacktes pulverförmiges Isoliermaterials 2a umgeben ist, das von derselben Art als das Isoliermaterial 2 sein kann und in einem äusseren Mantelrohr 15 eingeschlossen ist, das an den Enden durch isolierende Durch- führungspfropfen 16 für das innere Mantelrohr 3 abgeschlossen ist.
Bei dieser Ausführung des Rohrheizkörpers, der besonders bestimmt ist, als Wärmestrahler zur Lufterhitzung durch Anschluss an höhere Spannung als gewöhnliche Netzspannung verwendet zu werden, wird das innere Mantelrohr 3 an die Steuerelektrode 8 des Thyristors 7 angeschlossen, wie in Fig. 6 gezeigt wird, während das äussere Mantelrohr 15 geerdet wird. Im übrigen ist die Schaltung in Fig. 6 auch gleich derjenigen in Fig. 4 und die Wirkungsweise somit auch dieselbe.
Anstelle des Thyristors 7 kann auch ein doppeltgerichteter Triodethyristor (sogenannter Triac ) verwendet werden.
The invention relates to a device on an electrical resistance heater, e.g. B. on a hot water tank, washing machine or space heater, to limit the temperature of the radiator to a certain value in order to z. B. to protect the radiator against overheating during dry cooking, the radiator is embedded in a packed powdered insulating material with a negative temperature coefficient and the heat developed in the radiator is transferred to the environment.
The heating elements of this type, which are primarily suitable, are tubular heating elements which, as is generally known, consist of a metal tube, at least one helically wound resistance wire arranged equiaxially in this metal tube and a filling of a powdery insulating material packed together in the tube and tightly enclosing the resistance wire, such as Magnesium oxide.
It is common practice to protect electrical heaters against overheating by means of thermostats, which respond either to the temperature of the heated medium or, with regard to such heaters which are provided with tubular heaters, to the temperature of the latter, e.g. B. by using a temperature sensor embedded in the insulating material of the tubular heater, which then senses the temperature of the insulating material. Such overheating protection by means of thermostats has the disadvantage of a non-negligible inertia, since these include mechanical elements in which a certain movement is triggered rather slowly when the set highest permissible temperature value is reached in order to switch off the power supply to the heating devices.
It is also known in certain types of electrical resistance heating elements, such as electric blankets and the like, to achieve protection against overheating by limiting their temperature to a certain maximum with the aid of a conductor in contact with the insulating material of the heating element for removing one of the resistance wire through the Leakage current passing through the insulating material and a relay with two coils that acts as a control device and also as a disconnection device, which has a make or working contact switched on in the circuit of the resistance wire and is kept excited during normal operation by one of its coils being switched on parallel to the resistance wire Holding coil is used.
The other coil of the relay is set up to cause the relay to drop out and thus switch off the current to the resistance wire as a function of the increased leakage current through the insulating material of the resistance heater caused by local overheating.
The device according to the invention also uses the leakage current, which is increased when the temperature increases, through the insulating material of resistance heating elements as the triggering variable in the event of overheating. In this device, the temperature of the heating element is limited to a certain value with the aid of a conductor that is in contact with the insulating material of the respective resistance heating element for removing a leakage current from the resistance heating element through the insulating material and a control device that is set up to switch off the resistance heating element The current supplied to become effective as a function of the fact that the leakage current increases to a predetermined critical value as a result of the resistance of the insulating material, which decreases when the temperature increases.
The essential characteristic of the device, which distinguishes it from the above-mentioned known devices, is that the control device is a one-way or double-way thyristor and that it is connected between the resistance heater and the said conductor to lead out the leakage current in such a way that a trigger circuit is formed in which the leakage current acts on the control electrode of the control unit so that when a certain value is reached, it causes the current in the resistance heater to be switched off
The invention is explained in more detail in the following description of some schematic exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 is a longitudinal section through a conventional tubular heater in a highly schematic form.
Fig. 2 is a longitudinal section through a tubular heater with a resistance wire, both ends of which are taken out at the same end of the body, and with a conductor enclosed in the insulating material for taking out leakage current. 3 is a longitudinal section through a double-insulated tubular heating element, likewise in a highly schematic form. 4-6 are simplified circuit diagrams of a device according to the invention in a tubular heater of the type shown in FIGS. 1, 2 and 3, respectively.
The invention is described below with reference to tubular heaters.
The tubular heater in FIG. 1 comprises a helically wound resistance wire 1, a packed powdered insulating material (magnesium oxide) 2 in which the wire 1 is embedded, and a metallic jacket tube 3 which encloses the insulating material 2 and the wire 1. The ends of the jacket tube 3 are tightly closed by insulating plugs 4 through which end conductors that are soldered or welded to the ends of the resistance wire emerge in order to form connection contacts of the tubular heater.
4 shows this tubular heating element connected to an alternating current source 6. In this case, which is only intended to explain the basic principle of the invention, it is assumed for the casing tube 3 of the body that it is not earthed (which in practice would require the presence of a protective casing isolated from the casing tube 3 and surrounding it) and with the control electrode 8 a thyristor 7 is connected, while the resistance wire 1 is connected by the one end conductor 5 to the anode 9 of the thyristor. (In the present imaginary case, where the jacket tube 3 is not grounded, it is irrelevant which of the two end conductors is connected to the control electrode) The anode 9 is thus also directly connected to the one connection contact of the alternating current source.
A relay (or contactor) 10 for switching the tubular heater on and off has its coil switched on between the other terminal contact of the alternating current source 6 and the cathode 11 of the thyristor, and its main contact 12 is in the line from the alternating current source to the other end conductor 5 of the tubular heater (after the connection point of the relay coil on this line).
The main contact 12 is, contrary to custom, arranged as a break or break contact, i. H. it breaks the circuit when the relay is energized. The relay 10 also has a closing or working contact 13 serving as a holding contact, which is switched on between the end connected to the thyristor cathode 11 and the above-mentioned one connection contact of the power source 6, so that the relay remains energized (the electrical circuit of the tubular heater is broken) after it was excited as a result of a brief current surge through the thyristor.
The principle of operation of the device is as follows. As long as the heater (e.g. a hot water tank or a washing machine or a space heater) in which the tubular heater is installed is in normal operation, the tubular heater maintains a temperature at which the discharge current through the insulating material 2 is below a a value corresponding to a permissible maximum temperature. This leakage current forms, as can be seen from the circuit diagram in FIG. 4, the control current to the control electrode 8 of the thyristor 7. If for any reason, e.g. B.
Drying a washing machine or covering a space heater, the temperature of the insulating material would rise above this value, the leakage current will increase due to the negative resistance characteristic of the material, being one of the anode voltage of the thyristor, i.e. H. here the voltage of the alternating current source 6, can reach a dependent value at which the thyristor is switched on, so that the relay 10 is excited and the consumer circuit of the tubular heater at the main contact 12 is interrupted. It should be noted that although the thyristor 7, after it has been triggered during one half cycle of the alternating current, is extinguished during the following half cycle in the opposite direction as a result of the reversal of the anode voltage, this has no influence on the relay 10, which excites via the holding contact 13 remains.
The tubular heater shown in Fig. 2 is of the type whose resistance wire 1 extends back and forth in the jacket tube 3 closed at one end, both ends of the wire being taken out through an insulating plug 4 at the other end of the tubular heater. A conductor 14 is also introduced centrally into the casing tube 3 through the plug 4 and is tightly embedded in the insulating material 2. Instead of the jacket tube 3, this conductor 14 is connected to the control electrode 8 of the thyristor 7 in a circuit according to FIG. 5, which is otherwise identical to the circuit in FIG. The jacket tube 3 can itself be grounded.
The operation of the circuit in FIG. 5 is understood to be the same as that described above for FIG. 4, in that the control current to the control electrode 8 of the thyristor 7 is represented by the leakage current between the resistance wire 1 and the conductor 14.
The double-insulated tubular heating element in FIG. 3 can be considered to consist of a tubular heating element according to FIG. 1, which is surrounded in its entire length except at the ends by a layer of packed powdered insulating material 2a, which can be of the same type as the insulating material 2 and is enclosed in an outer jacket tube 15 which is closed at the ends by insulating bushing plugs 16 for the inner jacket tube 3.
In this embodiment of the tubular heater, which is specially designed to be used as a radiant heater for air heating by connecting to a higher voltage than normal mains voltage, the inner jacket tube 3 is connected to the control electrode 8 of the thyristor 7, as shown in Fig. 6, while the outer jacket pipe 15 is grounded. Otherwise, the circuit in FIG. 6 is also the same as that in FIG. 4 and the mode of operation is therefore also the same.
Instead of the thyristor 7, a double-directional triodethyristor (so-called triac) can also be used.