DE10021608B4

DE10021608B4 - Verfahren zum Steuern eines Heizelementes einer elektrischen Heizeinrichtung für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10021608B4
Application number: DE10021608A
Authority: DE
Inventors: Jacques Imbeaud; Joseph Letorey
Original assignee: SEB SA
Current assignee: SEB SA
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2020-05-05
Also published as: GB0010583D0; GB2350734B; DE20007761U1; FR2793104B1; FR2793104A1; GB2350734A; DE10021608A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Stromversorgung eines elektrischen Heizwiderstandes (6) einer Einrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit, wobei ein Thermistor (10) in der Nähe des elektrischen Heizwiderstand (6) befestigt ist, so dass der Widerstandswert des Thermistors (10) ein Abbild der Temperatur des elektrischen Heizwiderstand (6) bildet, wobei das Verfahren eine Anfangstestphase aufweist, die darin besteht, dass nacheinander:
a) die Stromversorgung des Heizwiderstandes (6) während eines ersten Zeitintervalls (T1) beim Einschalten der Einrichtung, was als Anfangszustand (ti) angesehen wird, zugelassen wird;
b) die Stromversorgung während eines zweiten Zeitintervalls (T2) abgeschaltet wird;
c) die Temperaturveränderung gesehen durch den Thermistor zwischen dem Anfangszustand und dem Zustand am Ende des zweiten Intervalls (tf) erfasst wird;
d) die Stromversorgung untersagt wird, wenn diese Temperaturveränderung einen ersten vorbestimmten Schwellenwert übersteigt;
e) im gegenteiligen Fall die Stromversorgung zugelassen wird; und
wobei das Verfahren nach der Testphase, wenn die Stromversorgung am Ende des zweiten...

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrohaushaltsgeräte, genauer der elektrischen Geräte zum Erhitzen von Flüssigkeiten mit einem Heizelement vom Typ elektrischer Widerstand. Spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Stromversorgung eines elektrischen Heizwiderstandes einer Einrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 196 45 059 A1 bekannt. Diese Schrift beschreibt ein Verfahren, bei dem während der Heizphase sowohl die Absoluttemperatur als auch die Temperaturveränderung der erhitzten Flüssigkeit erfasst wird.
Die Erfindung ist besonders bestimmt für Geräte wie elektrische Wasserkessel oder Friteusen oder auch für Siedekessel von Kaffeemaschinen.
Die Erfindung bietet besonders ein Verfahren zum Steuern der Stromversorgung eines elektrischen Heizwiderstands einer Einrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeiten an, wobei ein Thermistor in der Nähe des elektrischen Widerstands so befestigt ist, daß der Widerstandswert des Thermistors ein Abbild der Temperatur des elektrischen Widerstands darstellt.
Ein Gerät der Art, für das die Erfindung ideal geeignet ist, wurde bereits beschrieben in der französischen Patentanmeldung FR-27 91 857 A1 .
EP 0 519 864 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung und Begrenzung der Betriebstemperatur von elektrisch beheizten Geräten, mit der einer Heizvorrichtung ein Testimpuls zugeführt wird, wobei dessen Auswirkung auf den Temperaturverlauf des Gerätes anhand einer zu überwachenden Betriebskennlinie zur weiteren Energiezufuhr oder zur Abschaltung der Energie herangezogen wird.
DE 199 08 785 A1 beschreibt einen elektrisch beheizbaren Wasserheizer, dessen Leistung mittels eines Reglers eingestellt wird, der Stromimpulse in einem einstellbaren Tastverhältnis abgibt.
Elektrische Geräte oder Einrichtungen zum Erhitzen von Flüssigkeit, besonders Wasserkessel, wie sie gegenwärtig allgemein aufgebaut sind, sind mit mechanischen Sicherheitssystemen ausgerüstet; welche die elektrische Stromversorgung des Heizelements jenseits einer bestimmten Temperaturschwelle des Heizelements unterbrechen und die beispielsweise aus Bimetall-Abschaltern und Wärmedetektoren des Dampfes bestehen, die das Erhitzen der Flüssigkeit unterbrechen können.
Diese Systeme, die nach einem Verfahren der Erfassung und Steuerung arbeiten, das nur auf dem Überschreiten einer Temperaturschwelle beruht, sind nicht völlig befriedigend, in erster Linie weil die Wärmeträgheit der Detektoren, die zu jener des Heizelements hinzukommt, zu einem verzögerten Abschalten der Stromversorgung im Fall von anormalem Betrieb führt, was zur Folge hat, die Risiken einer frühzeitigen Abnutzung oder Beschädigung des Heizelements zu erhöhen, um so mehr, wenn das Heizelement mit hoher Leistung arbeitet; an zweiter Stelle weil die Abschaltschwelle von der Art der Detektoren abhängt und daher nicht modifiziert werden kann. Beispielsweise ist die Verwendung eines Wasserkessels in der Höhe mit Nachteilen verbunden, da die Detektoren nicht für eine geringere Siedetemperatur als unter den häufigeren Gebrauchsbedingungen geeignet sind.
Hauptzweck der Erfindung ist die Schaffung einer Steuerung der Stromversorgung des Heizelements, welche im Fall von anormalen Betriebsbedingungen ein rasches Abschalten der Stromversorgung des Elements garantiert, das heißt im Betrieb im Leerzustand, mit einer ungenügenden Flüssigkeitsmenge oder im Fall einer übermäßigen Schrägstellung des Geräts welche einen Betrieb bewirkt, bei dem ein Teil des Heizelements im Leeren arbeitet, oder auch im Fall einer erheblichen Verkalkung des Heizelements.
Die Erfindung sieht ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Heizgerät gemäß Patentanspruch 6 und einen elektrischen Wasserkocher gemäß Patentanspruch 7 vor.
Die Erfindung sieht vor, daß das Steuerungsverfahren eine anfängliche Testphase aufweist, worin nacheinander:

a) die Stromversorgung des Heizwiderstands während eines ersten Zeitintervalls beim Einschalten des Geräts zugelassen wird, das als Anfangszustand angenommen wird;
b) die Stromversorgung während eines zweiten Zeitintervalls abgeschaltet wird;
c) die vom Thermistor festgestellte Temperaturveränderung zwischen dem Anfangszustand und dem Zustand am Ende des zweiten Intervalls überwacht wird;
d) die Stromversorgung nicht zugelassen wird, wenn diese Temperaturveränderung einen vorbestimmten ersten Schwellenwert übersteigt;
e) im gegenteiligen Fall die Stromversorgung zugelassen wird.

In Folge dieser Maßnahme wird ein zu rascher Temperaturanstieg des Heizelements erfaßt und so bewertet, daß ein Abschaltsignal geliefert wird, wobei die Erfassung während einer Abschaltphase unter Ausnutzung der Wärmeträgheit des Heizelements erfolgt und somit ohne Risiko einer Beschädigung des Heizelements, wenn die Dauer des ersten Zeitintervalls genügend kurz gewählt ist.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden erläutert durch die folgende Beschreibung, die nur als nicht begrenzendes Beispiel gegeben ist, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Hierin sind:
1 eine perspektivische Ansicht eines Heizelements, für welches die Erfindung anwendbar ist;
2 ein Graph, der eine Stromversorgungssequenz gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wiedergibt.
In 1 ist das Heizelement 1 eines elektrischen Wasserkochers gezeigt, der aus einem durch Serigraphie hergestellten Widerstand 6 mit mindestens einer Widerstandsstrecke besteht, die auf einer elektrisch isolierenden und gut wärmeleitenden Platte 7 gebildet ist. Die isolierende Platte 7 ist fest verbunden mit einem Träger 8 aus Metall vorzugsweise rostfreiem Stahl und bildet den Boden des Behälters des Wasserkochers in der Weise, daß die isolierende Platte 7 und der Träger 8 in Wärmekontakt sind und die Widerstandsstrecke 6 elektrisch vom metallischen Träger 8 isoliert ist.
Ein Thermistor 10, beispielsweise ein Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten, genannt "CPN" ist auf der isolierenden Platte 7 in der Nähe des von der Widerstandsstrecke 6 gebildeten elektrischen Widerstands befestigt; sein Widerstand verändert sich in Abhängigkeit von den Temperaturveränderungen der Widerstandsstrecke 6 und der isolierenden Platte 7; der Wert seines Widerstands bildet also ein Abbild der Temperatur des elektrischen Widerstands 6.
Erfindungsgemäß wird die Stromversorgung des Heizwiderstands 6 gemäß einem Verfahren gesteuert, das eine Anfangstestphase umfaßt, die darin besteht, daß nacheinander:

a) die Stromversorgung des Heizwiderstands 6 während eines ersten Zeitintervalls T1 beim Einschalten des Geräts zugelassen wird, wobei der Anfangszustand als ti angenommen wird;
b) die Stromversorgung während eines zweiten Zeitintervalls T2 abgeschaltet wird;
c) die Temperaturveränderung vom Thermistor aus gesehen zwischen dem Anfangszustand und dem Endzustand des zweiten Intervalls tf erfaßt wird;
d) die Stromversorgung untersagt wird, wenn diese Temperaturveränderung einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet;
e) die Stromversorgung zugelassen wird, wenn der gegenteilige Fall vorliegt.

Die Unterbrechung des Versorgungsstromkreises des Heizwiderstands 6 erfolgt beispielsweise durch einen Schalter, der von einer Mikrosteuerung gesteuert ist, welche ihre Steuerungssignale ausgehend vom Zustand oder den aufeinanderfolgenden Zuständen des Thermistors 10 und voreingestellten Schwellenwerten gewinnt.
Es ist leicht verständlich, daß eine zu rasche Temperaturerhöhung die vom Thermistor 10 festgestellt wird, entweder einen Betrieb bei teilweisem oder vollständigem Leerzustand (Trockenzustand) des Heizelements 1 oder seine Verkalkung anzeigt, wobei eine auf dem Heizelement 1 abgeschiedene Kesselsteinschicht eine verhältnismäßig starke Wärmeisolation des Heizelements bewirkt.
Ein solcher Zustand wird außerordentlich zuverlässig und rasch nach einer Heizeinschaltzeit T1 und einer Abschaltzeit T2 erfaßt, die beide sehr kurz sind, was das Heizelement 1 vor Betrieb unter Bedingungen schützt, welche die wesentliche Ursache für seine vorzeitige Abnutzung oder Beschädigung sind.
Beispielsweise kann das erste Stromversorgungsintervall T1 mit einer Zeitdauer zwischen 1,5 und 3 Sekunden gewählt sein, wobei diese Zeitdauer besonders geeignet ist für eine serigraphierte Strecke, die mit einer Leistung von 2 bis 3 kW arbeitet.
Das zweite Zeitintervall T2 hat seinerseits vorzugsweise eine Dauer zwischen 2,5 und 4 Sekunden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren zur Steuerung der Stromversorgung des Heizwiderstandes 6 nach der Testphase, wenn die Stromversorgung am Ende des zweiten Zeitintervalls T2 zugelassen wird, eine Heizphase PC auf, die aus einer Reihe von elementaren Zeitintervalle PCi besteht, während derer der Heizwiderstand 6 gespeist wird, wobei die vom Thermistor 10 her gesehene Temperatur am Ende jedes elementaren Intervalls PCi erfaßt wird, so daß die Stromversorgung abgeschaltet wird, sobald die Temperatur einen vorbestimmten Einstellwert überschreitet. Diese erste Ausführungsform bezweckt die Realisierung eines Heizzyklus PC der Flüssigkeit, der unterbrochen wird, wenn die Flüssigkeit eine bestimmte Temperatur erreicht, die beispielsweise durch einen Einstellwert des Benutzers definiert ist und die niedriger als die Siedetemperatur der Flüssigkeit liegt; oder es können auch mehrere aufeinanderfolgende Heizzyklen vorgesehen sein mittels eines Heizprogramms, das einer besonderen Art des Erhitzen entspricht.
Stattdessen weist bei einer zweiten Ausführungsform das Steuerungsverfahren nach der Testphase, wenn die Stromversorgung am Ende des zweiten Zeitintervalls T2 zugelassen ist, eine Heizphase PC auf, die aus einer Reihe von elementaren Zeitintervallen PCi besteht, während der der Heizwiderstand 6 gespeist ist, wobei die vom Thermistor 10 her gesehene Temperatur am Ende jedes Elementarintervalls PCi festgestellt wird, um die Stromversorgung abzuschalten, sobald die Temperaturveränderung über ein elementares Zeitintervall PCi kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist.
Die Abschaltbedingung ist in diesem letzten Modus bestimmt durch ein Abknicken der Temperaturkurve, was als Annäherung an eine Stufe auf dieser Temperaturkurve zu interpretieren ist, im häufigsten Fall dem Sieden der Flüssigkeit oder ausnahmsweise einer Fehlfunktion des Heizelements oder seines Stromkreises. Diese zwei Fälle können praktisch sicher unterschieden werden durch Beobachtung des Temperaturniveaus. Gleichzeitig mit dem Abschaltsignal des Heizelements kann ein Anzeigesignal ausgesandt werden, wenn die Temperaturentwicklung eine Stufe durchläuft, während die Temperatur unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt, beispielsweise 90°C.
Wie ersichtlich, hängt die Bedingung des Abschalten nicht nur vom erreichten Temperaturniveau ab, was es ermöglicht, im Fall eines elektrischen Wasserkochers das Gerät unabhängig von den äußeren Druckbedingungen zu betreiben, die, wie oben erwähnt, für die gegenwärtigen Geräte zu Schwierigkeiten im Fall der Benutzung bei größerer Höhe führen.
In den zwei Ausführungsformen hat das Elementarzeitintervall PCi vorteilhafter Weise eine Dauer in der Größenordnung von einigen Sekunden, genauer zwischen 4 und 6 Sekunden.
Die Erfindung sieht auch vor, daß das Steuerungsverfahren nach der Heizphase PC eine Regelungssphase PR umfaßt, in der nacheinander:

a) am Ende einer ersten vorbestimmten Periode, welche auf den Augenblick der Stromabschaltung am Ende der Heizphase folgt, die Temperatur gesehen durch den Thermistor 10 zu erfassen;
b) die Stromversorgung des elektrischen Widerstands 6 während eines Zeitintervalls zu gestatten, das kleiner als eine zweite vorbestimmte Periode Pri und unabhängig von der beobachteten Temperatur ist, wobei dieses Zeitintervall ebenfalls von einem vorbestimmten Temperatureinstellwert abhängt;
c) die Temperatur gesehen durch den Thermistor 10 von Neuem erfaßt wird;
d) die aufeinanderfolgenden Stufen b) und c) zyklisch wiederholt werden, bis ein Stopeinstellwert erreicht wird.

Es ist interessant, nachdem die Flüssigkeit einmal auf die vom Benutzer gewünschte Temperatur gebracht wurde, sie von Neuem periodisch zu erhitzen, um sie bei der Temperatur zu halten und zwar bis zu einem Stopbefehl, der beispielsweise ganz einfach durch Abschalten des Geräts durch den Benutzer gegeben wird, oder durch das Erreichen einer Zeitgrenze. Die Flüssigkeit wird so bei der Temperatur gehalten unter Einsatz eines geringen Energieverbrauchs und ohne besondere Überwachung des Geräts.
Die Heizzyklen der Regelungssphase erfolgen mit einer Periodizität, die in Einklang stehen muß mit den zum Schutz von elektrischen Netzen geltenden Normen, das heißt, daß die zweite Periode Pri in der Größenordnung von 25 bis 30 Sekunden für einen mit einer Leistung in der Größenordnung von 2 kW arbeitenden Widerstand gewählt ist.
Die Erfindung ermöglicht sowohl die Erhöhung der Betriebssicherheit von Elektrohaushaltsgeräten zum Erhitzen von Flüssigkeiten wie die Erleichterung ihres Gebrauchs durch Maßnahmen, welche sehr wirtschaftlich realisiert werden können, besonders durch einfache Programmierung der Mikrosteuerung.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Stromversorgung eines elektrischen Heizwiderstandes (6) einer Einrichtung zum Erhitzen von Flüssigkeit, wobei ein Thermistor (10) in der Nähe des elektrischen Heizwiderstand (6) befestigt ist, so dass der Widerstandswert des Thermistors (10) ein Abbild der Temperatur des elektrischen Heizwiderstand (6) bildet, wobei das Verfahren eine Anfangstestphase aufweist, die darin besteht, dass nacheinander: a) die Stromversorgung des Heizwiderstandes (6) während eines ersten Zeitintervalls (T1) beim Einschalten der Einrichtung, was als Anfangszustand (ti) angesehen wird, zugelassen wird; b) die Stromversorgung während eines zweiten Zeitintervalls (T2) abgeschaltet wird; c) die Temperaturveränderung gesehen durch den Thermistor zwischen dem Anfangszustand und dem Zustand am Ende des zweiten Intervalls (tf) erfasst wird; d) die Stromversorgung untersagt wird, wenn diese Temperaturveränderung einen ersten vorbestimmten Schwellenwert übersteigt; e) im gegenteiligen Fall die Stromversorgung zugelassen wird; und wobei das Verfahren nach der Testphase, wenn die Stromversorgung am Ende des zweiten Zeitintervalls (T2) zugelassen ist, eine Heizphase (PC) aufweist, die aus einer Reihe von elementaren Zeitintervallen (Pci) besteht, während der der Heizwiderstand (6) eingeschaltet ist, wobei die Temperatur gesehen durch den Thermistor (10) am Ende jedes elementaren Intervalls (Pci) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet dass die Stromversorgung abgeschaltet wird, sobald die Temperaturveränderung über ein elementares Zeitintervall (Pci) kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist.
Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es nach der Heizphase eine Regelungsphase aufweist, die darin besteht, dass nacheinander: a) am Ende einer ersten vorbestimmten Periode, die auf den Zeitpunkt des Abschaltens am Ende der Heizphase folgt, die Temperatur gesehen durch den Thermistor (10) erfasst wird; b) die Stromversorgung des elektrischen Heizwiderstand (6) während eines Zeitintervalls zugelassen wird, das kleiner als eine vorbestimmte zweite Periode (Pri) und abhängig von der beobachteten Temperatur ist; c) erneut die Temperatur gesehen durch den Thermistor (10) erfasst wird; d) die aufeinander folgenden Stufen b) und c) zyklisch wiederholt werden, bis ein Stopp-Einstellwert erreicht wird.
Verfahren zur Steuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitintervall (T1) eine Dauer zwischen 1,5 und 3 Sekunden hat.
Verfahren zur Steuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Zeitintervall (T2) eine Dauer zwischen 2,5 und 4 Sekunden hat.
Verfahren zur Steuerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elementaren Zeitintervalle (Pci) eine gleich bleibende Dauer haben, die zwischen 4 und 6 Sekunden liegt.
Heizgerät für Flüssigkeiten mit einem serigraphierten Heizwiderstand, dessen Stromversorgung gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche gesteuert ist.
Elektrischer Wasserkocher mit einem elektrischen Heizwiderstand, dessen Stromversorgung nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gesteuert ist.