Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Saunaofen mit
einer Steinkammer und darin symmetrisch geschalteten Drehstrom-
Heizwiderständen sowie mit temperaturabhängigen Steuerein
richtungen zur Bewerkstelligung periodischer Stromzufuhr in die
Heizwiderstände und damit zur Aufrechterhaltung der Soll
temperatur, wobei die Steuereinrichtungen separat gesteuerte
Phasenschalter haben.
In den finnischen Auslegeschriften FI-74610 und FI-89003 und im
finnischen Gebrauchsmuster FI-2755 sind Steuersysteme zum
Steuern der Stromzufuhr elektrischer Saunaöfen beschrieben. Die
Steuereinrichtungen sind entweder im Saunaofen integriert oder
in einem separaten Steuergerät angeordnet.
Zu den Steuereinrichtungen des elektrischen Saunaofens gehört
typischerweise ein mit Kapillargeber ausgestatteter Thermostat
schalter, mit dem die Temperatur des Saunaraumes geregelt wird.
In der Patentschrift FI-81001 ist u. a. das Unterbrechen der
Sinuswelle zur Verringerung der Stromzufuhr in die Heizwider
stände beschrieben. Eine solche Regelung verursacht allerdings
Störungen im Stromnetz und ist deshalb neuerdings in Verbindung
mit Hochleistungsgeräten verboten.
Bei den bekannten elektrischen Saunaöfen bewirkt eine Perioden
länge von 20 bis 30 Minuten im typischen Fall eine 10 bis 15
Minuten lange Unterbrechung der Stromzufuhr, wobei die Heizwi
derstände in dieser Zeit erkalten. Die damit verbundene starke
Wärmeausdehnung und Schrumpfung haben schädliche Auswirkungen
auf die in den Steinen eingebetteten Heizwiderstände und werden
vom Saunabenutzer als unangenehm empfunden. Auch tritt bei den
bekannten relaisgeschalteten Steuereinrichtungen Verschleiß in
Erscheinung, so dass sich im Laufe der Zeit die Gefahr eines
Ausfalls dieser Einrichtungen erhöht.
Ein durch Schaltkomponenten mit Kontaktstücken verwirklichtes
periodische Steuersystem ist von der Auslegeschrift FI-83926
her bekannt. Bei dieser Lösung erfolgt die periodische Steue
rung der Heizwiderstände getrennt, das heißt jedem einzelnen
Heizwiderstand ist ein eigener mit separatem Steuerteil
versehener Relaisschalter zugeordnet, mit dem die Stromzufuhr
zu dem Heizwiderstand gemäß der gewählten Regelweise reguliert
wird. Als einer der erheblichen Mängel dieses Konzepts tritt
auch bei ihm Verschleiß der Kontaktstücke der Umschalter in
Erscheinung, was zu Problemen in Form unerwünschter Eigen
schaften bei den besagten Relais führt. In der Schrift wird
auch vorgeschlagen, das als Umschalter eingesetzte Relais durch
einen Halbleiterschalter zu ersetzen, jedoch wird dessen
spezielle Einsatzweise nicht spezifiziert.
Zweck dieser Erfindung ist nun die Bereitstellung eines neuen,
einfachen elektrischen Saunaofens mit einem gegenüber bisher
beträchtlich gleichmäßiger arbeitenden und in der Praxis nahezu
verschleißfreien Stromzufuhr-Steuersystem. Die kennzeichnenden
Merkmale des erfindungsgemäßen elektrischen Saunaofens gehen
aus Patentanspruch 1 hervor.
Der erfindungsgemäße elektrische Saunaofen basiert bevorzugt
auf kontaktstückfreien und keine beweglichen Teile aufweisenden
Umschalterkomponenten wie sie die Halbleitertechnik bietet. Bei
normalem Betrieb des Saunaofens ist der Leistungsverlust der
kontaktstückfreien Umschalter wesentlich geringer als bei den
in herkömmlichen Steuersystemen benutzten mechanisch zu
betätigenden Komponenten mit Kontaktstücken wie etwa den bei
der bekannten Technik eingesetzten Relais.
Ein weiterer Vorteil der in der Praxis verschleißfreien
Umschalterkomponenten besteht in den damit verfügbaren wesent
lich besseren Leistungsregelungsmöglichkeiten. Die erfin
dungsgemäße Steuerschaltung eignet sich bevorzugt auch zum
Aufrechterhalten der Stand-by-Temperatur zum Beispiel in stän
dig badebereiten Saunaofentypen.
Die übrigen charakteristischen Merkmale des erfindungsgemäßen
elektrischen Saunaofens gehen aus den beigefügten Patentansprü
chen hervor, und weitere mit der Erfindung erzielbare Vorteile
sind in der Beschreibung aufgeführt.
Die erfindungsgemäßen Steuerkonzepte, die durch die nachstehend
beschriebenen Ausführungsformen in keiner Weise begrenzt
werden, sind im Folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen
eingehender beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild des Stromzufuhr-
Steuersystems;
Fig. 2 ein genaueres Schaltbild des Steuersystems;
Fig. 3 ein anderes erfindungsgemäßes Stromzufuhr-Steuersys
tem;
Fig. 4 ein Beispiel der erfindunsgemäßen periodischen Strom
zufuhr.
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Prinzipschaltbild des erfin
dungsgemäßen Stromzufuhr-Steuersystems gezeigt. Die Heizwider
stände 13.1, 13.2, 13.3 des elektrischen Saunaofens sind im
gezeigten Fall untereinander durch symmetrische Sternschaltung
geschaltet und in der Steinkammer 12 des Ofens angeordnet.
Bevorzugt können auch andere symmetrische Schaltungen, wie zum
Beisspiel Dreieckschaltung, benutzt werden. Der Nullpunkt der
Heizwiderstände 13 wurde allerdings hier bewusst ungeerdet
gelassen, das heißt er ist nicht an den Nullleiter N an
geschlossen d. h. der Nullpunkt ist schwebend. Die Stromzufuhr
der Heizwiderstände 13 erfolgt vom Drehstromanschluss 11 aus
über den Schalter RE1, der zum Beispiel aus einem Relais
schalter bestehen kann. Der Schalter RE1 wird bei Übertempera
tur durch das Schütz K1 gesteuert, das den Schalter RE1 öffnet
und spannungslosen Zustand der Heizwiderstände 13 bewirkt. Bei
Normalbetrieb ist der Schalter RE1 stets geschlossen.
Gemäß der Erfindung werden zur Steuerung an zwei Phasenleitern
L1 und L2 als Phasenschalter Hochleistungstriac-Halbleiter
schalter V1 und V2 eingesetzt. Der dritte Phasenleiter L3 ist
direkt an den Heizwiderstand 13.3 des dritten Zweigs der
Sternschaltung geschaltet. In dem Prinzipschaltbild sind
infolge der Vereinfachung aufs Prinzip die Gittersteuerkreise
der Triacs V1 und V2, die zur Triggerung der Triacs dienen,
nicht dargestellt.
Allgemein betrachtet sind die Triacs an sich bekannte, in
Steuersystemen eingesetzte Halbleiterkomponenten, deren
Funktion weitgehend auf Thyristoren basiert. Im Triac befinden
sich im Prinzip zwei Thyristoren in Antiparallelschaltung, so
dass das Wirken in beiden Richtungen einen vorteilhaften
Einsatz der Komponente besonders in Wechselstromkreisen
ermöglicht.
Das als Schutzschalter dienende Schütz K1 ist vor dem Triac V1
zwischen den Nullleiter N und den ersten Phasenleiter L1
geschaltet. Zwischen Phasenleiter L1 und Schütz K1 ist der
Triac TR3 der Übertemperatur-Schutzschaltung geschaltet. Die
Schutzerdung PE ist auf bekannte Weise an den Ofen geschaltet.
In Fig. 2 ist ein genaueres Schaltbild des erfindungsgemäßen
Stromzufuhr-Steuersystems in einer bevorzugten Ausführungsform
gezeigt. Zwischen den Phasenleiter L1 und den Nullleiter N ist
eine an sich der bekannten Technik entsprechende 5-Volt-
Stromquelle 10 geschaltet, deren Funktion und Komponenten dem
Fachmann klar sind.
An den ersten Phasenleiter L1 ist der Heizwiderstand 13.1 des
Saunaofens 12 geschaltet, an den zweiten Phasenleiter L2
entsprechend der Heizwiderstand 13.2 und an den dritten
Phasenleiter L3 der Heizwiderstand 13.3.
In den Phasenleiter L1 ist vor dem Heizwiderstand 13.1 gemäß
der Erfindung ein Hochleistungstriac V1 geschaltet, dessen
Gitterspannung durch einen an sich bekannten Steuerstromkreis
15.1 mit den Widerständen R5, R7 und R10 gesteuert wird. Der
Steuerstromkreis 15.1, der Triac V1 und der Heizwiderstand 13.1
sind durch den Optokoppler OC1, der vom Vorspannwiderstand R3
gesteuert wird, getrennt von der sie steuernden Steuereinheit
14 angeordnet.
Einen entsprechenden Schaltkreis mit seinem Hochleistungstriac
V2 hat auch der an den zweiten Phasenleiter L2 geschaltete
Heizwiderstand 13.2. Der Steuerstromkreis 15.2 des Hochlei
stungstriacs V2 wird mit den Widerständen R6, R8 und R9
gebildet und ist gleichfalls durch einen Optokoppler OC2 von
der Steuereinheit 14 und dem Vorspannwiderstand R2 optisch
getrennt. Mit der hier beschriebenen Schaltung können die
Heizwiderstände 13 in den Leistungsbereichen 0-50% und 50-100%
periodisch gesteuert werden. Der Leistungsbereich ist durch
den geforderten Gesamtleistungsbedarf bestimmt, und die
Steuerung erfolgt als Vollwellensteuerung.
Die Steuerstromkreise 15.1, 15.2 der Hochleistungstriacs V1 und
V2 umfassen die Widerstandsgruppen R7, R10 und R8, R9, welche
den Triacs V1, V2 die zur Triggerung benötigte Gitterspannung
liefern. Wird an die Gitter der Triacs V1, V2 eine zu ihren
KatocLen positive Spannung gelegt, so wird gemäß dem Funktions
prinzip der besagten Halbleiterkomponenten der PN-Übergang
zwischen Gitter und Katode leitend, und im Gitter beginnt Strom
zu fließen, der die Triacs V1, V2 in leitenden Zustand trig
gert. Dabei werden der erste und zweite Phasenleiter L1, L2 an
die Heizwiderstände 13.1, 13.2 geschaltet. Weiter wird durch
die aus den Widerständen R10, R9 der Triggerschaltungen 15.1
und 15.2 gebildeten Rückkopplungen der den Heizwiderständen
13.1, 13.2 zuzuführende Strom, der sonst, bedingt durch die
endlich hohe Triggerspannung, mit Unstetigkeit behaftet wäre,
ausgeglichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuersystem wird eine
Übertemperatur-Schutzschaltung 15 mit Thermosicherung einge
setzt, die über den Optokoppler OC3 das Schütz K1 steuert. Bei
Ansprechen der Übertemperatur-Schutzschaltung 15 gehen die an
den gemeinsamen Erdungspunkt gelegten Optokoppler OC1, OC2 und
OC3 in nicht leitenden Zustand über, und das Schütz K1 öffnet
den Schalter RE1 mit der Folge, dass sämtliche Heizwiderstände
13.1, 13.2 und 13.3 spannungslos werden. Ein bloßes Schalten
der Triacs V1 und V2 auf nicht leitenden Zustand bietet keine
volle Garantie für Spannungslosigkeit der Heizwiderstände 13;
vielmehr wird mit dem Schalter RE1 der geforderte Luftspalt von
wenigstens 3 mm Breite hergestellt um so Spannungslosigkeit der
Heizwiderstände 13 sicher zu gewährleisten.
Die elektronische Steuereinheit 14 hat einen Regelkreis 14.1
zur periodischen Steuerung der Triacs V1 und V2. Als Regelkreis
14.1 können bevorzugt zum Beispiel typenmäßig bekannte Regler
eingesetzt werden, welche wenigstens die eine genaue Strom
zufuhr ermöglichenden P- und I-Teile aufweisen. Die Steuer
einheit 14 wird von einer 5-Volt-Spannungsquelle versorgt.
Weiter ist an die Steuereinheit 14 ein Temperaturgeberkreis 16
geschaltet. Jeder der Optokoppler OC1, OC2, OC3 wird separat
für sich von der Steuereinheit 14 gesteuert.
In Fig. 3 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung für einen stets badebereiten elektrischen Saunaofen
gezeigt. Der normale Betrieb beim Saunieren ist der gleiche wie
bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform. Dabei
steuern die Triacs V1 und V2 die Funktion der Heizwiderstände
13.1' und 13.2' und die Schaltglieder des Schütz K3 befinden
sich in Hochstellung (nicht dargestellt), wobei sich die Heiz
widerstände 13 wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform
in Sternschaltung mit ungeerdetem Nullpunkt befinden.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Betriebsmodus sind die elektri
schen Heizwiderstände 13.1', 13.2' und 13.3' in der wärmeiso
lierten Steinkammer 12 in Reihe als Last nur eines Phasenlei
ters L1 geschaltet. Man erhält so Stand-by-Leistung, die das
Aufrechterhalten ständiger Badebereitschaft ermöglicht. Mit dem
Triac V1 wird die Stromzufuhr in den Heizwiderstand 13.1'
gesteuert, mit dem der Heizwiderstand 13.2' und über das Schütz
K3 auch der Heizwiderstand 13.3' in Reihe geschaltet sind.
Durch Modifizieren der Schalteinrichtung RE3 können auch die
Heizwiderstände 13.1'und 13.2' zur Aufrechterhaltung des Stand
by-Zustandes in Reihe geschaltet werden (nicht dargestellt)
Der zweite Phasenleiter L2 ist nicht zugeschaltet, weil sich
der Triac V2 in nicht leitendem Zustand befindet. Det Zweig des
Heizwiderstands 13.3' ist an den Nullleiter N geschaltet.
Die Stellung des Schalters RE3 wird mit dem Schütz K3 ver
ändert, das über den Triac TR3 vor dem Triac V1 an den ersten
Phasenleiter P1 geschaltet ist.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Über
temperaturschutz durch einen in Verbindung mit dem Schütz K1
angeordneten Übertemperaturwiderstand 15' verwirklicht, der
beim Ansprechen den den ersten, zweiten und dritten Phasenlei
ter L1, L2, L3 über die Triacs V1, V2 mit den Heizwiderständen
13.1', 13.2', 13.3' verbindenden Schalter RE1' öffnet, wodurch
der Stromkreis unterbrochen wird. Bei dieser Ausführungsform
ist der Schalter RE1' vor den Triacs V1, V2 angeordnet. Das als
Schutzschalter fungierende Schütz K1 und der Temperaturwider
stand 15' sind über den Stromschalter 16 an den ersten Phasen
leiter L1 und den Nullleiter N geschaltet.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Steuerungsweise für die erfin
dungsgemäße Schaltung. In der Figur ist die normierte Heizlei
stung P/Pmax als Funktion der Zeit t dargestellt. Gemäß der
Erfindung wird die den in Fig. 1 und 2 gezeigten Heizwider
ständen 13.1, 13.2 zuzuführende Sinuswelle nicht unterbrochen,
sondern bei der Steuerung wird mit einer Periode von höchstens
180 Sekunden gearbeitet, innerhalb deren die Steuerung durch
Vollwellenregelung erfolgt. Bevorzugt wird eine Periodenlänge
von etwa 40 Sekunden benutzt, die auf Grund der Regelung in
EIN- und AUS-Abschnitte unterteilt wird. Dabei kann dann mit
dem ersten Triac V1 der Leistungsbereich gewählt und mit dem
zweiten Triac V2 die eigentliche Regelung mit Hilfe des
Periodenverhältnisses durchgeführt werden.
Gemäß Fig. 4 ist der erste Triac V1 über die gesamte Periode
in Betrieb (Leistung 100%), und der zweite Triac V2 regelt
sich im Bereich 0-100%. Zum Beispiel kann beim Übergang von
einer auf die andere Periode die Bedeutung der Triacs V1, V2
verändert werden, wobei dann mit dem zweiten Triac V2 der
Leistungsbereich gewählt und mit dem ersten Triac die Periodi
sierung gesteuert wird. Durch einen solchen periodisch oder
ansonsten in festgelegten Zeitabständen erfolgenden Wechsel
wird eine besonders gleichmäßige Belastung der Heizwiderstände
13 erreicht. Die Steuerung kann in 40-Sekunden-Perioden
gleichmäßig erhöht oder verringert werden. Alternativ werden im
Leistungsbereich von 50-100% beide Triacs V1, V2 in gleicher
Weise (nämlich beide im Bereich 50-100%) geregelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Steuersystem erfolgt ein Ausgleich
der Belastung der Heizwiderstände 13.1, 13.2, 13.3, und diese
erkalten in geringerem Maße als bisher, so dass sich auch ihre
Bewegung in der Steinfüllung reduziert. Durch Arbeiten mit
kurzer Periodenzeit von bevorzugt ca. 40 bis 60 Sekunden
(allgemein genommen 40 bis 180 Sekunden) verringert sich die
durch Wärmeausdehnung bedingte Bewegung der Heizwiderstände
erheblich mit der Folge längerer Lebensdauer dieser Wider
stände. Es hängt von der eigenen Wärmekapazität der Heizwider
stände ab, in welchem Maße sie sich während der kurzen Unter
brechung abkühlen.
Es ist klar, dass die obige Beschreibung und die dazugehörigen
Abbildungen lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden
Erfindung dienen. Die Erfindung ist somit nicht auf die oben
beschriebenen oder in den Patentansprüchen definierten Aus
führungsformen beschränkt, sondern für den Fachmann sind
zahlreiche verschiedene Variationen und Modifikationen der
Erfindung im Rahmen der in den Patentansprüchen definierten
Erfindungsidee offenkundig.