DE102013109731A1

DE102013109731A1 - Elektrische Wärmvorrichtung

Info

Publication number: DE102013109731A1
Application number: DE102013109731.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Moddick; Pedro Stange; Andre DENK
Original assignee: Leifheit AG
Current assignee: Leifheit AG
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Wärmvorrichtung zum Einstellen einer Temperatur an einer Oberfläche eines Wärmeträgers in Abhängigkeit von einem Vorgabesignal mit – einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an der Oberfläche des Wärmeträgers, – wenigstens einem Elektroheizelement zum Wandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie und – einer Steuereinheit zum Zuführen der elektrischen Energie zu dem wenigstens einen Elektroheizelement als eine Folge von Energiepulsen mit einer vorgegebenen Frequenz und mit Pulsbreiten in Abhängigkeit von dem Vorgabesignal und der erfassten Temperatur. Um die zugeführte elektrische Leistung ohne Erzeugung potentiell störender hochfrequenter Strahlung regeln zu können, wird erfindungsgemäß die Frequenz der Energiepulse in Abhängigkeit von der Oberfläche und der Wärmekapazität des Wärmeträgers vorgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Wärmvorrichtung zum Erwärmen oder Warmhalten von Gegenständen und Materialien und insbesondere eine elektrische Wärmvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Elektrische Wärmvorrichtungen sind allgemein bekannt. Sie werden als Wärmkissen oder Wärmedecken zum Wärmen von Patienten, als Sitzheizung zum Wärmen z. B. eines Autositzes oder auch als Wärmplatte zum Warmhalten von Speisen in einem Büffet eingesetzt. Elektrische Wärmvorrichtungen nutzen unterschiedliche Energiequellen wie z. B. die Netzspannung oder einen Akku. In der Regel haben diese Wärmvorrichtungen eine oder mehrere einstellbare Temperaturstufen. Eine einfache und nahezu verlustfreie Möglichkeit unterschiedliche Leistungen für die verschiedenen Temperaturstufen einzustellen, ist die Nutzung einer Pulsweitenmodulation (pulse width modulation, PWM). Zu Beginn des Aufwärmvorgangs wird in der Regel die volle von der Energiequelle zur Verfügung gestellte Leistung genutzt, um eine möglichst schnelle Erwärmung zu gewährleisten. Anschließend wird für die verschiedenen Temperaturstufen die Leistung durch eine Pulsweitenmodulation mit unterschiedlichen Taktraten (Duty-cycles) geregelt.
Der Stand der Technik weist jedoch einige Nachteile auf. Insbesondere aufgrund der niedrigen Spannung von Akkusystemen im Vergleich zur Netzspannung sind besonders hohe Ströme notwendig, um die erforderliche Leistung für die gewünschten Temperaturen zu erzielen. Für eine möglichst stetige Leistungsregelung wird vorzugsweise eine hochfrequente Pulsweitenmodulation im Bereich von einigen Hz bis zu einigen kHz genutzt. Die dadurch entstehenden starken elektromagnetischen Felder stehen im Verdacht gesundheitsschädlich zu sein und u. a. Krebs zu verursachen.
Es wäre daher wünschenswert, die für die Wärmeerzeugung zugeführte Leistung regeln zu können, ohne dafür hochfrequente Pulsweitenmodulation einsetzen zu müssen. Damit ließen sich bei Nutzung der Wärmvorrichtung negative gesundheitliche Folgen vermeiden. Dies ist umso erstrebenswerter, als Wärmvorrichtungen in manchen Anwendungen wohltuend und entspannend wirken und gegen Verspannungen eingesetzt werden, wobei sie sich in unmittelbarer Nähe zum menschlichen Körper befinden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmvorrichtung zu schaffen, bei der die zugeführte elektrische Leistung ohne Erzeugung potentiell störender hochfrequenter Strahlung geregelt wird.
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Wärmvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche Der Erfindung liegen Untersuchungen zugrunde, die gezeigt haben, dass in Abhängigkeit der Oberfläche und der Wärmekapazität des Wärmeproduktes, d. h. des Wärmeträgers auch eine deutlich niederfrequentere Pulsweitenmodulation zur Leistungsregelung genutzt werden kann. Bei entsprechender Auslegung dieser Parameter sind spürbare Temperaturänderungen an der Oberfläche für den Nutzer nicht wahrnehmbar. Selbst bei Unterbrechungen des Heizstromes von mehreren Sekunden ist während der Anwendung kein Unterschied im Vergleich zu einer hochfrequenten Regelung feststellbar.
Der menschliche Körper ist dann nicht mehr den starken und sich schnell ändernden elektromagnetischen Feldern ausgesetzt. Man kann eher von statischen Feldern sprechen, die nach heutigem Wissensstand nicht gesundheitsschädlich sind.
Als weitere Möglichkeit kann zur Vermeidung starker elektromagnetischer Wechselfelder ein System mit mehreren Heizdrähten unterschiedlichen Widerstands eingesetzt werden. Je nach Anzahl n der Heizdrähte können 2n – 1 verschiedene Leistungsstufen implementiert werden. Auf eine PWM kann dann komplett verzichtet werden, und jede Stufe wird mit einer konstanten Leistung betrieben.
Die gattungsgemäße elektrische Wärmvorrichtung zum Einstellen einer Temperatur an einer Oberfläche eines Wärmeträgers in Abhängigkeit von einem Vorgabesignal ist versehen mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an der Oberfläche des Wärmeträgers, wenigstens einem Elektroheizelement zum Wandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie und einer Steuereinheit zum Zuführen der elektrischen Energie zu dem wenigstens einen Elektroheizelement als eine Folge von Energiepulsen mit einer vorgegebenen Frequenz und mit Pulsbreiten in Abhängigkeit von dem Vorgabesignal und der erfassten Temperatur.
Erfindungsgemäß wird die elektrische Wärmvorrichtung dadurch weitergebildet, dass die Frequenz der Energiepulse in Abhängigkeit von der Oberfläche und der Wärmekapazität des Wärmeträgers vorgegeben wird.
Vorzugsweise ist die vorgegebene Frequenz der Energiepulse kleiner als 1 Hz und insbesondere kleiner als 0,1 Hz. Bei derartig niedrigen Werten für die Schaltfrequenz ist die Erzeugung von unerwünschter hochfrequenter Strahlung sehr gering.
Die erfindungsgemäße Wärmvorrichtung kann mehrere Elektroheizelemente umfassen, an welchen die Energiepulse von der Steuereinheit mit unterschiedlicher Phase anliegen. Auf diese Art lässt sich eine gleichmäßigere Wärmeerzeugung erreichen.
Um ein bestimmtes Wärmeprofil auf der Oberfläche des Wärmeträgers zu erzielen, können die mehreren Elektroheizelemente jeweils einen unterschiedlichen Widerstand aufweisen.
Vorzugsweise werden die n Elektroheizelemente so angesteuert, dass 2n – 1 verschiedene Leistungsstufen implementiert sind.
Um die durch die steilen Flanken der Energiepulse erzeugten hochfrequenten Strahlungsanteile zu unterdrücken, werden die Energiepulse bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch ein Tiefpassfilter gefiltert. Auf diese Art werden die Flanken abgeflacht und Spannungsänderungen abgerundet, so dass hochfrequente Strahlung gar nicht erst entsteht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims

Elektrische Wärmvorrichtung zum Einstellen einer Temperatur an einer Oberfläche eines Wärmeträgers in Abhängigkeit von einem Vorgabesignal mit – einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur an der Oberfläche des Wärmeträgers, – wenigstens einem Elektroheizelement zum Wandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie und – einer Steuereinheit zum Zuführen der elektrischen Energie zu dem wenigstens einen Elektroheizelement als eine Folge von Energiepulsen mit einer vorgegebenen Frequenz und mit Pulsbreiten in Abhängigkeit von dem Vorgabesignal und der erfassten Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Energiepulse in Abhängigkeit von der Oberfläche und der Wärmekapazität des Wärmeträgers vorgegeben wird.
Elektrische Wärmvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die vorgegebene Frequenz der Energiepulse kleiner als 1 Hz und insbesondere gleich oder kleiner als 0,1 Hz ist.
Elektrische Wärmvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Wärmeträger mehrere Elektroheizelemente umfasst und die Energiepulse an den mehreren Elektroheizelementen jeweils unterschiedliche Phasen aufweisen.
Elektrische Wärmvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die mehreren Elektroheizelemente jeweils einen unterschiedlichen Widerstand aufweisen.
Elektrische Wärmvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die n Elektroheizelemente so angesteuert werden, dass 2n – 1 verschiedene Leistungsstufen implementiert sind.