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Die
Erfindung betrifft eine Kochstelle und ein Verfahren zur Temperaturregelung
der Kochstelle.
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Bekannt
ist ein Thermogenerator beispielsweise aus [http://en.wikipedia.org/wiki/Thermogenerator].
Bei einem Thermogenerator wird ein Temperaturunterschied unmittelbar
in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein verfügbare
Thermogeneratoren liefern Ströme in einer Größenordnung
von einigen 100 mA bei Spannungen in einem Bereich von einigen Volt.
Somit kann über einen Thermogenerator eine Leistung von
einigen Watt bereitgestellt werden. Der Wirkungsgrad des Thermogenerators
liegt in der Größenordnung von 5% bis 10%. Dieser
eher schlechte Wirkungsgrad stört jedoch nicht, weil zum Betrieb
der Thermogeneratoren Energie benutzt werden kann, welche ohnehin
durch Wärmeabstrahlung verloren wäre.
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Aus
US 2006/0016446 A1 ist
ein Gasofen bekannt, der mittels eines Thermogenerators elektrische
Energie für unterschiedliche Verbraucher, z. B. Lüfter
oder Beleuchtung, bereitstellt.
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DE 44 22 354 A1 zeigt
eine infrarotgesteuerte Garungseinheit, anhand derer eine Temperatur
eines Garguts gemessen werden kann. Hierzu wird ein Infrarotsensor
in exponierter Position leicht erhöht oberhalb des Kochfelds
angeordnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kochstelle anzugeben,
die über eine besonders effiziente Regeleinheit verfügt
und insbesondere eine autarke Versorgung mit ausreichend elektrischer
Energie aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Kochstelle angegeben umfassend
- – ein Kochfeld;
- – mindestens einen Thermogenerator zur Versorgung einer
Regeleinheit mit elektrischer Energie,
dadurch gekennzeichnet,
dass
- – ein Infrarotsensor vorgesehen ist, der in Richtung
eines auf dem Kochfeld anordenbaren Kochgeschirrs zeigt,
- – wobei der Infrarotsensor mit der Regeleinheit verbunden
ist.
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Somit
weist das Kochfeld vorteilhaft eine Regeleinheit auf mit der insbesondere
ein Brennmittel derart dosiert werden kann, dass es einer vorgegebenen
Messgröße, z. B. einer Temperatur, entspricht, wobei
die Messgröße mittels des Infrarotsensors ermittelbar
ist.
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Hierbei
ist es von Vorteil, dass die Regeleinheit und/oder der Infrarotsensor über
den mindestens einen Thermogenerator mit elektrischer Energie versorgt
wird/werden. Somit kann die Kochstelle autark von einer zusätzlichen
elektrischen Energiequelle betrieben werden.
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Eine
Weiterbildung ist es, dass der Infrarotsensor seitlich zu dem Kochfeld
angeordnet ist. Insbesondere kann der Infrarotsensor oberhalb des Kochfelds
angeordnet sein.
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Somit
ist es möglich anhand des Infrarotsensors eine Temperatur
des Kochgeschirrs bzw. einer in dem Kochgeschirr enthaltenen Speise
zu bestimmen und diese Temperatur mittels der Regeleinheit einzustellen.
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Eine
andere Weiterbildung ist es, dass die Regeleinheit einen Rechner,
insbesondere einen Mikroprozessor, umfasst.
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Insbesondere
ist es eine Weiterbildung, dass die Regeleinheit eine Bedieneinheit
und/oder eine Anzeigeeinheit umfasst.
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Auch
ist es eine Weiterbildung, dass ein Stellmittel für ein
Brennmedium vorgesehen ist, das über die Regeleinheit einstellbar
ist.
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Je
nach Kochfeld sind unterschiedliche Brennmedien einsetzbar, z. B.
Gas für einen Gaskocher oder Brennöl für
ein Ölkochfeld.
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Ferner
ist es eine Weiterbildung, dass eine Spannungsregelung vorgesehen
ist, die zwischen den mindestens einen Thermogenerator und die Regeleinheit
geschaltet ist.
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Anhand
der Spannungsregelung wird eine stabile elektrische Energieversorgung
für die Regeleinheit und/oder den Infrarotsensor ermöglicht.
Hierzu kann insbesondere ein elektrischer Energiespeicher (z. B.
ein Akkumulator, eine Batterie und/oder ein Kondensator) oder eine
Spannungsumsetzung (z. B. ein DC/DC-Wandler oder Hochsetzer) vorgesehen
sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Spannungsregelung
elektrischen Strom von mehreren Thermogeneratoren des Kochfeldes
oder verschiedener Haushaltsgeräte, insbesondere verschiedener
Kochfelder, erhält.
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Im
Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist der mindestens
eine Thermogenerator derart angeordnet, dass entlang des Thermogenerators
ein hoher Temperaturunterschied besteht. Insbesondere kann der mindestens
eine Thermogenerator innerhalb und/oder in der Nähe einer
Mulde angeordnet sein.
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Auch
kann der Thermogenerator zwischen einem Vorwärmrohr und
einem Verbrennrohr eines Ölbrenners angeordnet sein.
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Eine
nächste Weiterbildung besteht darin, dass ein Anschluss
zur Versorgung weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie vorgesehen
ist, wobei die elektrische Energie mittels des mindestens einen Thermogenerators
erzeugbar ist.
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Somit
ist es möglich, dass mindestens ein weiterer oder zusätzlicher
elektrischer Verbraucher an die Kochstelle angeschlossen wird und über
den mindestens einen Thermogenerator mit elektrischer Energie versorgt
wird. Beispiele für derartige Verbraucher sind insbesondere
Geräte mit verhältnismäßig geringem
Stromverbrauch, z. B. ein Handy, eine Beleuchtungseinheit, ein Funkgerät,
ein Rechner o. ä.
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Eine
Ausgestaltung ist es, dass die Kochstelle einen Gasbrenner, einen Ölbrenner
oder einen Pflanzenölkocher umfasst.
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Eine
alternative Ausführungsform besteht darin, dass ein Brennöltank
vorgesehen ist, der mit einem Vorwärmrohr verbunden ist,
wobei das Vorwärmrohr mit einem Verbrennungsrohr verbunden
ist und dass der Thermogenerator in einem Bereich zwischen dem Verbrennungsrohr
und dem Vorwärmrohr angeordnet ist.
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Weiterhin
wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren
zur Temperaturregelung einer Kochstelle angegeben
- – bei
dem mittels einer Regeleinheit über einen Infrarotsensor
eine Temperatur bei einem Koch- oder Erwärmvorgang ermittelt
wird;
- – wobei die Regeleinheit eine Zufuhr eines Brennmediums
abhängig von einer Sollvorgabe und der ermittelten Temperatur
regelt;
- – wobei die Regeleinheit mittels eines Thermogenerators
mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Eine
Ausgestaltung besteht darin, dass die Temperatur eines Kochgeschirrs
mittels des Infrarotsensors ermittelt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Systemskizze einer Kochstelle mit einem Gaskochfeld, das ohne gesonderten
Stromanschluss betrieben werden kann und dennoch eine Regeleinheit
aufweist, die mit elektrischer Energie gespeist wird;
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2 eine
Skizze eines Pflanzenölkochers als ein Beispiel für
einen Ölkocher;
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3 ein
Schaltbild für eine Elektronik zum Betrieb eines Thermogenerators.
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Der
hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es, eine Kochstelle,
insbesondere ein thermisches Haushaltsgerät, mit einer
Elektronik zu versehen. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit,
z. B. durch Erweiterung der Kochstelle mit einer Regeleinheit, einer Bedieneinheit
und/oder einer Anzeige, die Sicherheit sowie die Bedienbarkeit des
Haushaltsgeräts gesteigert werden.
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Somit
können verschiedene Kochstellen, z. B. Gasgeräte,
Thermen, Mulden, Campingkocher, die jeweils keinen eigenen Stromanschluss
aufweisen müssen, autark mit ausreichend elektrischer Energie
versorgt werden.
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Die
elektrische Energie wird zumindest teilweise mittels mindestens
eines Thermogenerators bereitgestellt.
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Vorteilhaft
weist die Kochstelle eine Elektronik, insbesondere über
Regeleinheit, auf, so dass über ein Stellelement ein Brennmittel
derart einstellbar oder dosierbar ist, dass eine Sollvorgabe, die über
einen Sensor kontrolliert wird, erreichbar ist.
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Eine
optionale Anzeigeeinheit und/oder optionale Bedienelemente können
einen Nutzer informieren und es ihm ermöglichen, Eingaben
vorzunehmen.
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Weiterhin
kann die Kochstelle während des Betriebes allgemein als
elektrischer Generator eingesetzt werden und somit für
elektrische Verbraucher Energie bereitstellen.
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Als
derartige Verbraucher kommen insbesondere Geräte mit geringem
Stromverbrauch in Betracht, z. B. tragbare Telefone, Radios, Fernseher, Funkgeräte,
Beleuchtungseinrichtungen und/oder Rechner (insbesondere Laptops).
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Ein
Vorteil der Kochstellte mit mindestens einem Thermogenerator besteht
darin, dass die zur Verfügung gestellte elektrische Energie
in weiten Bereichen stabil ist und daher der Betrieb des externen Verbrauchers
zuverlässig erfolgen kann. Optional kann auch eine Batterie,
ein Akkumulator oder ein Kondensator zur Energiespeicherung vorgesehen sein,
um insbesondere einen kontinuierlichen Betrieb des Verbrauchers
zu ermöglichen.
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Thermogeneratoren
sind weitgehend stabil und erzeugen zuverlässig elektrische
Energie. Diese elektrische Energie wird in Form von Gleichstrom
zur Verfügung gestellt. Optional können Umrichter
zur Anpassung der Spannung (z. B. auf einen höheren Spannungspegel)
vorgesehen sein.
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1 zeigt
eine Systemskizze einer Kochstelle mit Gaskochfeld, das ohne gesonderten
Stromanschluss betrieben werden kann und dennoch eine Regeleinheit
aufweist, die mit elektrischer Energie gespeist wird.
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Ein
Thermogenerator 101 wird mit seiner heißen Seite
in der Nähe einer Gasflamme 102, 103, 104 des
Gaskochfeldes 100 angeordnet.
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Vorteilhaft
liegt der Thermogenerator 101 im Pfad der (unvermeidbaren)
Verlustwärme des Brenners 105. Zur Wärmeabfuhr
kann als kühle Seite des Thermogenerators 101 das
Gehäuse des Brenners oder ein Rahmenteil 106 Kochfeldes
dienen.
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Weiterhin
ist ein Infrarotsensor 108 vorgesehen, der vorzugsweise
neben der Kochstelle 100 angeordnet ist und in Richtung
des Kochgeschirrs 109 zeigt. Der Infrarotsensor 108 wird
mittels des Thermogenerators 101 mit elektrischer Energie
versorgt.
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Beispielsweise
benötigt der Infrarotsensor 108 ohne Beleuchtung
einen Strom von einigen mA bei einer Spannung von 5 V, mit Beleuchtung
benötigt der Infrarotsensor 108 einen Strom von
ca. 20 mA bei einer Spannung von ca. 9 V.
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Der
Infrarotsensor 108 liefert ein Messsignal an eine Regeleinheit 111,
die vorzugsweise einen Mikroprozessor 112, eine Bedien-
und Anzeigeeinheit 113 sowie ein Stellventil 110 für
das Brennmedium (hier das Gas) umfasst. Ein Verfahren zur Regelung der
Sollgröße ist vorzugsweise auf dem Mikroprozessor 112 implementiert,
durch dieses wird abhängig von dem Messsignal das Stellventil 110 so
gesteuert, dass eine über die Bedien- und Anzeigeeinheit 113 vorgegebene
und angezeigte Temperatur erreicht wird.
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Optional
kann die Regeleinheit 111 auch ohne Bedien- und Anzeigeeinheit 113 realisiert
sein.
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Anstatt
oder zusätzlich zu dem Mikroprozessor 113 kann
jede Art von Steuereinheit eingesetzt werden.
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Der
Thermogenerator 101 kann direkt die Regeleinheit 111 sowie
den Infrarotsensor 108 mit elektrischer Energie versorgen.
Optional kann eine Spannungsregelung 114 zwischengeschaltet
sein, die die von dem Thermogenerator 101 gelieferte elektrische
Energie stabilisiert, z. B. mittels eines Spannungsreglers (Konverters,
Hochsetzers) und/oder mittels eines Energiespeichers (Akkumulator,
Kondensator, Batterie). Weiterhin ist es möglich, dass
die Spannungsregelung 114 elektrische Energie von weiteren
Thermogeneratoren 115 (dieser Kochstelle oder ggf. anderer
Kochstellen) erhält und diese Energie geeignet speichert
und/oder zum Betrieb der Kochstelle 100 und/oder weiterer
externer Geräte bereitstellt. Hierzu ist vorzugsweise eine
Anschlussmöglichkeit, bspw. ein genormter Stromstecker,
vorgesehen, anhand dessen weitere (externe) Verbraucher (z. B. Beleuchtung,
Handy, Funkgerät, etc.) von der Spannungsregelung 114 mit
elektrischer Energie versorgt werden können.
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Das
Brennmedium (in 1 Gas) wird über das
Stellventil 110 dosiert und über einen Mischer 107 dem
Brenner 105 in der Mulde 106 zugeführt.
Je nach Dosierung der Menge des Gases, verbrennt dieses mit mehr
oder weniger Hitzeentwicklung. Beispielhaft sind Flammen mit maximaler
Hitze 102, mittlerer Hitze 103 und minimaler Hitze 104 dargestellt.
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2 zeigt
eine Skizze eines Pflanzenölkochers 200 als ein
Beispiel für einen Ölkocher.
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Der
Pflanzenölkocher 200 weist einen Thermogenerator 201 auf,
der zwischen einem Vorwärmrohr 202 und einem Verbrennungsrohr 203 angeordnet
ist. Der Thermogenerator 201 lie fert elektrische Energie
für eine Regeleinheit wie in 1 gezeigt. Entsprechend
kann auch ein Infrarotsensor gemäß 1 angeordnet
sein.
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Der
Pflanzenölkocher 200 hat einen Brennöltank 204,
in dem ein Brennmedium, hier Brennöl, bevorratet ist. Aus
diesem Brennöltank 204 fließt das Brennöl
unter Druck durch einen Übergang 205 (gestrichelt
dargestellt) in das Vorwärmrohr 202. In diesem
Vorwärmrohr 202 wird das Brennöl durch
die Abwärme der Flamme erhitzt und so auf eine Brenntemperatur
gebracht. Aus dem Vorwärmrohr 202 fließt das
erwärmte Brennöl durch einen Übergang 206 in das
Verbrennungsrohr 203. Das Verbrennungsrohr 203 hat
kleine Löcher, durch welche das warme Brennöl
austritt um dann zusammen mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft
zu verbrennen.
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Zur
Erzeugung des Druckes, der das Brennöl in das Vorwärmrohr 202 befördert,
kann am Tank eine (kleine) (Luft-)Pumpe vorgesehen sein.
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Die
von dem Thermogenerator 201 gelieferte elektrische Energie
kann weiterhin zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern eingesetzt
werden.
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Die
heiße Seite des Thermogenerators 201 ist dabei
in Richtung des Verbrennungsrohrs 203 ausgerichtet. Die
kalte Seite des Thermogenerators 201 kann ein in die Umgebungsluft
gehaltenes Kühlblech sein. Das Kühlblech kann
hierbei Luft- oder wassergekühlt sein. Auch ist es möglich,
dass ein vorhandener Geräterahmen der Kochstelle bzw. ein Ölvorrat
als Wärmesenke für die kalte Seite des Thermogenerators
dient.
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Da
das Verbrennungsrohr 203 beim Verbrennen des Brennöls
stabil heiß ist, kann dort der Thermogenerator 201 mit
seiner heißen Seite angebracht sein. Als thermisch stabile
kühle Seite kann für den Thermogenerator 201 der
Zulauf 205 des Brennöls in das Vorwärmrohr 202 dienen.
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Optional
kann ein spezielles Kühlblech oder ein konstruktiver Teil
des Aufbaus der Kochstelle als kühle Seite eingesetzt werden.
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Der
so betriebene Thermogenerator 201 stellt bei aktivierter
Kochstelle (im Heizbetrieb) eine konstante und zuverlässige
Quelle für Gleichstrom dar.
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3 zeigt
ein Schaltbild für eine Elektronik zum Betrieb eines Thermogenerators.
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Thermogeneratoren
weisen große Kapazitäten auf. Zur Kompensation
plötzlich steigender bzw. fallender Lastströme
können somit zusätzliche Siebkondensatoren entfallen.
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Optional
kann für die Entkopplung zwischen dem Thermogenerator 301 und
einer Stabilisierung 303 eine Diode 302 vorgesehen
sein.
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Weiterhin
kann ein (kleiner) Energiespeicher 304, z. B. ein Akkumulator
oder ein anderer Speicher für elektrische Energie, z. B.
ein Elektrolytkondensator (GoldCap), der Diode 302 nachgeschaltet
sein.
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Der
Energiespeicher 304 kann dann Energie speichern, wenn diese
erzeugt aber von angeschlossenen Verbrauchern nicht abgenommen wird.
Bei Einsatz eines Akkumulators verhindert die Diode 302 eine
Selbstentladung des Energiespeichers 304, wenn der Thermogenerator 301 nicht
beheizt wird (und somit keine elektrische Energie liefert).
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Am
Ausgang der Stabilisierung 303 ist eine Elektronik 305 vorgesehen,
die insbesondere einer Regeleinheit wie vorstehend beschrieben (siehe 1,
Regeleinheit 111) entsprechen kann. Vor und nach der Stabilisierung 303 kann
je ein Kondensator 306, 307 angeordnet sein.
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Zusätzlich
kann insbesondere bei Gasgeräten (Brenner in Gasmulden
oder Thermen) eine Sicherungseinrichtung vorgesehen sein, die auf
der von dem Thermogenerator gelieferten elektrischen Energie basiert.
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Hierbei
wird ein Thermogenerator in bzw. an die zu überwachende
oder zu sichernde Hitzequelle gehalten und daher von dieser Flamme
erwärmt. Der Thermogenerator erzeugt daher eine elektrische Gleichspannung,
welche einen Gleichstrom durch eine Spule treibt. Das Magnetfeld
dieser Spule hält das Gasventil offen, durch welches das
Brenngas zu der brennenden Flamme fließt. Wenn die zu überwachende
Flamme – aus welchem Grund auch immer – erlischt
(Fehlerfall), dann wird der Thermogenerator nicht mehr erwärmt.
Er kühlt daher ab und die elektrische Gleichspannung bricht
zusammen. Daher verringert sich auch der Strom durch die Spule,
das Magnetfeld der Spule bricht zusammen und kann das Gasventil
nicht mehr offen halten. Das Gasventil wird geschlossen und es ist
sicher gestellt, dass aus dem Gasgerät kein Gas unverbrannt
ausströmen kann.
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Spannungen
in einer Größenordnung von 10 V bis 20 V werden
vorzugsweise durch einen Spannungswandler (Hochsetzer) erzeugt.
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Wie
erläutert wurde, erzeugt der Thermogenerator aus einem
Temperaturgefälle elektrische Energie, wenn ein hinreichend
starkes Temperaturgefälle vorhanden ist. Dies ist jedoch
unmittelbar nach dem Entzünden einer Gasflamme bzw. unmittelbar nach
dem Aufsetzen des Kochgeschirres auf die noch kalte Kochstelle nicht
gegeben. Daher kann ein kleiner Energiespeicher (z. B. ein Kondensator
oder ein Akkumulator) vorgesehen sein, der insbesondere von einem
vorhergehenden Kochprozess Energie speichert und diese später,
insbesondere während der Aufheizphase des aktuellen Kochprozesses,
bereitstellt.
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Hierbei
reicht vorteilhaft eine geringe Menge an elektrischer Energie aus,
weil unmittelbar nach dem Einschalten der Kochstelle noch kein besonderer
Bedarf an Regelungsaktionen mittels der von dem Thermogenerator
zur Verfügung gestellten elektrischen Energie besteht.
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Die
vom Thermogenerator abgegebene Spannung hängt direkt von
der Temperaturdifferenz ab. Da die Temperatur der kalten Seite (mehr
oder weniger) stabil ist, kann die vom Thermogenerator abgegebene
Spannung als Sensorsignal für die Temperatur der heißen
Seite betrachtet werden.
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Vorteilhaft
benötigt das hier vorgestellte System keine Energie aus
der Flamme des Brenners in dem Sinne, dass durch den Betrieb des
Thermogenerators sehr viel weniger Energie im Kochgeschirr ankommt.
Eine mehr oder weniger stabil unter einem Topf stehende Flamme gibt
ohnehin sehr viel Energie ungenutzt an die Umgebung ab, (ungenutzte
Energie entspricht derjenigen Energie, die nicht in das Kochgeschirr
erreicht).
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Da
der Thermogenerator als eine Art Flammenführung gebaut
werden kann, kann dieser sogar den Wirkungsgrad des Brenners erhöhen.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der Stabilität der Thermogeneratoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0016446
A1 [0003]
- - DE 4422354 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://en.wikipedia.org/wiki/Thermogenerator [0002]