DE10154167B4

DE10154167B4 - Elektrischer Saunaofen

Info

Publication number: DE10154167B4
Application number: DE2001154167
Authority: DE
Inventors: Pertti Harvia; Teemu Harvia
Original assignee: Individual
Current assignee: Harvia Fi Oy
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: FI20011900A0; DE10154167A1; FI20011900A

Abstract

Elektrischer Saunaofen mit einer Steinkammer und darin symmetrisch geschalteten Drehstrom-Heizwiderständen (13) sowie mit temperaturabhängigen Steuereinrichtungen (14) zur Bewerkstelligung periodischer Stromzufuhr in die Heizwiderstände (13) und damit zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur, wobei die Steuereinrichtungen (14) separat gesteuerte Phasenschalter (V1, V2) haben, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt der Heizwiderstände (13) nicht an den Nullleiter angeschlossen ist und als besagte Phasenschalter an zwei Phasenleitern (L1, L2) Triacs (V1, V2) oder andere kontaktstückfreie Umschalterkomponenten eingesetzt werden.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Saunaofen mit einer Steinkammer und darin symmetrisch geschalteten Drehstrom-Heizwiderständen sowie mit temperaturabhängigen Steuereinrichtungen zur Bewerkstelligung periodischer Stromzufuhr in die Heizwiderstände und damit zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur, 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 Thermostatschalter, 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 Heizwiderstände 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 Periodenlänge von 20 bis 30 Minuten im typischen Fall eine 10 bis 15 Minuten lange Unterbrechung der Stromzufuhr, wobei die Heizwiderstände 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 Steuerung 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 Eigenschaften 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 wesentlich besseren Leistungsregelungsmöglichkeiten. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung eignet sich bevorzugt auch zum Aufrechterhalten der Stand-by-Temperatur zum Beispiel in ständig 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:
1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild des Stromzufuhr-Steuersystems;
2 ein genaueres Schaltbild des Steuersystems;
3 ein anderes erfindungsgemäßes Stromzufuhr-Steuersystem;
4 ein Beispiel der erfindunsgemäßen periodischen Stromzufuhr.
In 1 ist ein vereinfachtes Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Stromzufuhr-Steuersystems gezeigt. Die Heizwiderstände 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 Beispiel Dreieckschaltung, benutzt werden. Der Nullpunkt der Heizwiderstände 13 wurde allerdings hier bewusst ungeerdet gelassen, das heißt er ist nicht an den Nullleiter N angeschlossen d. h. der Nullpunkt is schwebend. Die Stromzufuhr der Heizwiderstände 13 erfolgt vom Drehstromanschluss 11 aus über den Schalter RE1, der zum Beispiel aus einem Relaisschalter bestehen kann. Der Schalter RE1 wird bei Übertemperatur 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-Halbleiterschalter 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 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 Hochleistungstriacs 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 Katoden positive Spannung gelegt, so wird gemäß dem Funktionsprinzip 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 triggert. 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 eingesetzt, 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 Stromzufuhr ermöglichenden P- und I-Teile aufweisen. Die Steuereinheit 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 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 Heizwiderstände 13 wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform in Sternschaltung mit ungeerdetem Nullpunkt befinden.
Bei dem in 3 gezeigten Betriebsmodus sind die elektrischen Heizwiderstände 13.1', 13.2 und 13.3' in der wärmeisolierten Steinkammer 12 in Reihe als Last nur eines Phasenleiters 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. Der Zweig des Heizwiderstands 13.3' ist an den Nullleiter N geschaltet.
Die Stellung des Schalters RE3 wird mit dem Schütz K3 verändert, das über den Triac TR3 vor dem Triac V1 an den ersten Phasenleiter P1 geschaltet ist.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Übertemperaturschutz durch einen in Verbindung mit dem Schütz K1 angeordneten Übertemperaturwiderstand 15' verwirklicht, der beim Ansprechen den den ersten, zweiten und dritten Phasenleiter 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 Temperaturwiderstand 15' sind über den Stromschalter 16 an den ersten Phasenleiter L1 und den Nullleiter N geschaltet.
4 zeigt eine bevorzugte Steuerungsweise für die erfindungsgemäße Schaltung. In der Figur ist die normierte Heizleistung P/P_max als Funktion der Zeit t dargestellt. Gemäß der Erfindung wird die den in 1 und 2 gezeigten Heizwiderständen 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 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 Periodisierung 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 Widerstände. Es hängt von der eigenen Wärmekapazität der Heizwiderstände ab, in welchem Maße sie sich während der kurzen Unterbrechung 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 Ausführungsformen beschränkt, sondern für den Fachmann sind zahlreiche verschiedene Variationen und Modifikationen der Erfindung im Rahmen der in den Patentansprüchen definierten Erfindungsidee offenkundig.

Claims

Elektrischer Saunaofen mit einer Steinkammer und darin symmetrisch geschalteten Drehstrom-Heizwiderständen (13) sowie mit temperaturabhängigen Steuereinrichtungen (14) zur Bewerkstelligung periodischer Stromzufuhr in die Heizwiderstände (13) und damit zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur, wobei die Steuereinrichtungen (14) separat gesteuerte Phasenschalter (V1, V2) haben, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullpunkt der Heizwiderstände (13) nicht an den Nullleiter angeschlossen ist und als besagte Phasenschalter an zwei Phasenleitern (L1, L2) Triacs (V1, V2) oder andere kontaktstückfreie Umschalterkomponenten eingesetzt werden.
Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Heizwiderstände (13) in den Leistungsbereichen 0–50% und 50–100% periodisch als Vollwellensteuerung erfolgt, wobei sich der Leistungsbereich nach dem geforderten Gesamtleistungsbedarf bestimmt.
Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Periodendauer der Stromzufuhr eine Zeit von 40 bis 180 Sekunden, bevorzugt von 40 bis 60 Sekunden eingestellt ist.
Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Periodendauer in EIN- und AUS-Abschnitte unterteilt werden kann.
Elektrischer Saunaofen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromzufuhr regelnden Triac-Halbleiterschalter (V1, V2) in bestimmten Zeitabständen unabhängig von der Leistungsregelung gegeneinander ausgetauscht werden können.
Elektrischer Saunaofen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelstromkreis (14.1) der Steuereinrichtungen (14) durch Trenneinrichtungen (OC1, OC2) von den Phasenschaltern (V1, V2) der Phasenleiter (L1, L2) getrennt ist.
Elektrischer Saunaofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelmodus des Regelstromkreises (14.1) wenigstens die P- und I-Teile umfasst.
So genannter ”Stets badebereit”-Elektrosaunaofen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Badebereitschaft durch in der wärmeisolierten Steinkammer (12) zur Wirkung gebrachte Stand-by-Leistung aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Stand-by-Leistung durch Schaltvorrichtungen (RE3) bewirkt wird, die dazu dienen, zwei oder drei Heizwiderstände (13.1', 13.2', 13.3') als Last nur eines Phasenleiters (L1) in Reihe zu schalten, und die mit einem Triac- oder einem anderem kontaktstückfreien Halbleiterschalter (V1) geregelt wird.