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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser, eine Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser sowie eine Geschirrspülmaschine.
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Es ist aus der
DE 102012213385 A1 bekannt, dass bei Heizeinrichtungen zum Erhitzen von Wasser, insbesondere mit metallischem Träger und darauf angeordnetem Heizelement in Dickschichttechnik, aufgrund der hohen Flächenleistungen und der sehr dynamischen Vorgänge eine schnelle Regelung notwendig ist, da eine geringe thermische Trägheit gegeben ist. Insbesondere bei lokalen oder großflächigen Verkalkungen an einer Mediumseite des Trägers nimmt die Wärmeabnahme durch das zu erhitzende Wasser stark ab, wodurch sehr schnell vor allem eine lokale oder auch eine großflächige Erhitzung auftreten kann, welche sehr schädlich wäre. Unter Umständen kann dies sogar zur Zerstörung der Heizeinrichtung führen.
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Aus der
DE 102013200277 A1 ist eine Heizeinrichtung bekannt, bei der sozusagen mittels einer Dielektrikumschicht zwischen zwei elektrisch leitfähigen Anschlussflächen eine großflächige Überwachung der Heizeinrichtung bzw. eines Heizelements und eine Erkennung auch von lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Überhitzungen bzw. Verkalkungen möglich ist.
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Aus der
WO 2010/008279 A1 ist eine Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser bekannt, die an einem Boden eines Behälters für zu erhitzendes Wasser einen Schichtaufbau aufweist. Auf eine Stahlplatte wird eine erste dielektrische Emailleschicht aufgebracht, auf die wiederum eine erste dielektrische Schicht in Gitterform aufgebracht wird. Darauf wird eine zweite Emailleschicht mit einem NTC-Verhalten des elektrischen Widerstands aufgebracht. Auf diese zweite Emailleschicht werden mehrere Heizleiter in einem Dickschichtverfahren aufgebracht. Ein temperaturabhängiger Leckstrom zwischen Heizleitern und Elektrode kann erfasst und als Maß für eine Temperatur ausgewertet werden.
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Aus der
WO 2006/083162 ist eine weitere Heizeinrichtung bekannt, die ebenfalls zum Erhitzen von Wasser dienen kann. Sie weist einen im Wesentlichen gleichen Schichtaufbau auf. Auch hier wird ein temperaturabhängiger Leckstrom durch eine dielektrische Emailleschicht zwischen Heizleiter und gitterförmiger Elektrode erfasst.
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Eine nochmals weitere ähnliche Heizeinrichtung ist aus der
WO 2008/150171 A1 bekannt. Hier ist ein länglicher Sensorleiter auf bzw. in derselben Schicht wie ein Heizelement angeordnet. Dieser Sensorleiter kann einen Leckstrom sozusagen parallel zur Ebene der Heizeinrichtung hin zum Heizleiter erfassen.
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Aus der
DE 10 2009 021 656 A1 ist eine Heizeinrichtung als Durchlauferhitzer bekannt. Zum Erhitzen von Wasser ist ein spiraliger Durchlaufkanal aufgebaut, wobei die spiralförmig verlaufenden Wände von einem Flachheizdraht gebildet sind.
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Aus der
WO 2012/011051 A1 ist eine Heizeinrichtung bekannt, bei der ein störender Effekt des Verkalkens reduziert oder ganz beseitigt werden soll. Heizeinrichtung oder Elektroden können gewendelte Form aufweisen. Dabei wird einmal eine Wechselspannung zwischen einem Heizelement und einer Gegenelektrode angelegt, und einmal eine Wechselspannung. Durch Auswertung der Spannungen kann auf den Grad einer Verkalkung am Heizelement geschlossen werden.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren, eine Heizeinrichtung sowie eine Geschirrspülmaschine zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik gelöst werden können und es insbesondere möglich ist, Verkalkungen an einer Mediumseite des Trägers und somit eine potenzielle Gefahrenquelle zu erkennen bzw. eine Beschädigung der Heizeinrichtung zu verhindern.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und eine Geschirrspülmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Heizeinrichtung oder nur für das Verfahren oder nur für die Geschirrspülmaschine genannt. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Heizeinrichtung als auch für das Verfahren und die Geschirrspülmaschine selbständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Es ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser, welches insbesondere durch einen Träger hindurchfließen soll bzw. an ihm vorbeifließen soll, vor allem an einer sogenannten Mediumseite des Trägers, einen Träger aufweist. Auf diesem Träger ist ein einziges Heizelement aufgebracht, welches mehrere hintereinander geschaltete Heizleiter aufweist. Vorteilhaft ist dies ein Dickschicht-Heizelement mit zwei elektrischen Anschlüssen, zwischen denen sich dessen einzelne hintereinander geschaltete bzw. aneinander anschließende Heizleiter erstrecken. So können die Heizleiter beispielsweise jeweils gerade Abschnitte des Heizelements sein, das insgesamt insbesondere einen mäanderförmigen Verlauf aufweisen kann. Die Heizeinrichtung weist eine flächige Dielektrikumschicht auf, die im Wesentlichen die Heizleiter bzw. das Heizelement überdeckt. Die Dielektrikumschicht muss nicht zwingend direkt auf dem Heizelement aufliegen. Sie weist eigentlich elektrisch isolierende Eigenschaften auf, bei Temperaturen ab 200°C oder erst ab 300°C jedoch nimmt ihr elektrischer Widerstand ab. Derartige Dielektrikumschichten bestehen beispielsweise aus Glas oder Glaskeramik und sind in der vorgenannten
DE 102013200277 A1 näher beschrieben.
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Die Dielektrikumschicht ist auf beiden Seiten mit jeweils einer elektrisch leitfähigen Anschlussfläche versehen. Diese Anschlussflächen liegen also direkt an der Dielektrikumschicht an und können insbesondere einen durch die Dielektrikumschicht fließenden Strom bzw. sogenannten Leckstrom erfassen. Dabei können die elektrisch leitfähigen Anschlussflächen dieselbe Überdeckung haben, zumindest was eine äußere Kontur bzw. maximale Aufspannung der Fläche betrifft. Eine der elektrisch leitfähigen Anschlussflächen kann vorteilhaft auch vollflächig bzw. geschlossen ausgebildet sein.
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Mindestens eine der Anschlussflächen ist an eine Steuerung oder Messeinrichtung einer Steuerung zur Auswertung eines Leckstroms als Stromfluss durch die Dielektrikumschicht hindurch angeschlossen. So kann eben der Leckstrom überwacht werden hinsichtlich seines zeitlichen Verlaufs bzw. eines möglichen schnellen Anstiegs. Des Weiteren ist das Heizelement mit Messmitteln zur Überwachung eines Heizleiterstroms durch dieses Heizelement und somit durch seine sämtlichen Heizleiter verbunden. So kann eben auch der Heizleiterstrom überwacht bzw. ausgewertet werden, insbesondere hinsichtlich eines Abfalls aufgrund zunehmenden Widerstandes des Heizelements bei steigender bzw. wegen zu hoher Temperatur, da das Heizelement einen positiven Temperaturkoeffizienten seines Widerstands aufweist. Da die Steuerung bzw. Messeinrichtung den Heizleiterstrom überwacht und dazu auch die Spannung gemessen werden kann, lässt sich auch der Wärmetransfer in Form eines Wärmewiderstandes bewerten.
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Somit ist es möglich, sowohl mittels des Leckstroms an der Dielektrikumschicht als auch mittels Überwachung des Heizleiterstroms die Temperaturverhältnisse am Heizelement bzw. an der Heizeinrichtung zu überwachen. Während eine Änderung des Heizleiterstroms zwar eher relativ langsam ist und sich auch insgesamt bei lokal begrenzter bzw. kleinflächiger Verkalkung nicht sehr stark ändert, da davon ja nur ein sehr kleiner Bereich des Heizelements betroffen ist, kann damit aber sozusagen eine über die Fläche gemittelte Temperatur und somit auch eine gemittelte Überhitzung an der Heizeinrichtung festgestellt werden. Das Feststellen einer lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Überhitzung über Auswertung des Leckstroms an der Dielektrikumschicht ist zum Einen erheblich schneller und zum Anderen reicht hier sozusagen ein nur wenige Millimeter großer Bereich mit sehr hoher Temperatur, um hier den Leckstrom, der über die gesamte Fläche erfasst werden kann, schnell stark ansteigen zu lassen. Derartige Überhitzungen kommen in der Regel durch Verkalkungen zustande, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Es gibt auch sogenannte hot spots, die durch eine punktuelle oder kleinflächige, nicht vollständige Ablösung einer Verkalkung entstehen, wobei durch einen Zwischenraum zwischen der Mediumseite des Trägers und der Kalkschicht dann der Wärmetransfer zusätzlich behindert wird. Hier können gefährliche Überhitzungen auftreten, die zwar kleinflächig bzw. lokal sehr begrenzt sind, aber auch hier eine Beschädigung oder Zerstörung der Heizeinrichtung bewirken könnten.
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Der Träger besteht vorteilhaft aus Metall. Auf ihm ist für einen Schichtaufbau eine Isolationsschicht aufgebracht, auf der wiederum das Heizelement aufgebracht ist. Wie eingangs genannt ist es bevorzugt ein Dickschichtheizelement, beispielsweise mit mehreren Heizleitern in insgesamt erzeugter Mäanderform. Über bzw. auf das Heizelement wiederum wird die flächige Dielektrikumschicht aufgebracht, vorteilhaft als geschlossene Fläche. Sie kann im Wesentlichen ein Rechteck bedecken. Diese Dielektrikumschicht wirkt auch als elektrische Isolation, zumindest im Bereich üblicher Betriebs-Temperaturen. Auf die Dielektrikumschicht wiederum kann mit im Wesentlichen derselben Fläche eine elektrisch leitfähige Anschlussfläche aufgebracht sein. Hier kann ein beliebiges elektrisch leitfähiges Material verwendet werden. Die andere elektrisch leitfähige Anschlussfläche an die Dielektrikumschicht wird dann von dem Heizelement bzw. dessen Heizleitern gebildet. Im Betrieb der Heizeinrichtung wird dieses an eine Betriebsspannung angeschlossen und von dem Heizleiterstrom durchflossen. Bei geringer werdender Isolationseigenschaften der Dielektrikumschicht kann dann ein üblicherweise geringer Strom als Leckstrom durch die Dielektrikumschicht hindurch an die andere elektrisch leitfähige Anschlussfläche fließen. Durch den vorgenannten Anschluss an eine Steuerung kann dies erkannt werden.
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Die Steuerung weist vorteilhaft einen Speicher auf, um Referenzwerte für die Heizelementtemperatur, Dielektrikumschicht-Signale oder einen Heizleiterstrom im normalen Betrieb abzuspeichern. Auch für abnormale Betriebszustände können Werte abgespeichert sein, insbesondere für lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkungen hinsichtlich der dann zu erwartenden Dielektrikumschicht-Signale oder eines Heizleiterstroms sowie Werte für vorgenannte hot spots und für flächige bzw. großflächige Verkalkung. Dies kann beispielsweise ein Grenzwert für den Dielektrikumstrom bzw. Leckstrom sein, der nicht überschritten werden darf bzw. bei dessen Erreichen die Heizeinrichtung abgeschaltet werden muss.
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Eine Leistungsdichte des Heizelements kann vorteilhaft mindestens 100 W/cm2 betragen. Besonders vorteilhaft kann die Leistungsdichte maximal 150 W/cm2 oder sogar 200 W/cm2 betragen. So ist eine schnell ansprechende und sehr leistungsfähige Heizeinrichtung bei kleinem Platzbedarf gegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Betrieb der Heizeinrichtung zum Erhitzen von Wasser sowohl der Heizleiterstrom durch das Heizelement bzw. durch die Heizleiter als auch ein Leckstrom durch die Dielektrikumschicht hindurch überwacht, wozu deren zeitlicher Verlauf überwacht wird und unter Umständen auch abgespeichert wird als Betriebsprotokollierung. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden.
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Im ersten Fall kann bei einem langsamen Abfall des Heizleiterstroms eine großflächige Verkalkung an einer Mediumseite des Trägers erkannt werden bzw. kann ein solcher langsamer Abfall des Heizleiterstroms als eine solche großflächige Verkalkung definiert werden. Eine großflächige Verkalkung wächst langsam über die Betriebszeit auf, die Heizleitertemperatur steigt langsam mit der Betriebszeit wegen der geringer werdenden Wärmeabnahmefähigkeit und der Heizleiterstrom fällt ab. Daraus können verschiedene Maßnahmen folgen, wie beispielsweise eine Anzeige an einen Benutzer, dass eine Entkalkung bzw. Reinigung der Heizeinrichtung notwendig ist, oder eine vorübergehende temporäre Leistungsreduzierung mit gleichzeitiger Anzeige. Ein solcher langsamer Abfall des Heizleiterstroms kann dann vorliegen, wenn er um mindestens 2% in weniger als 100 Stunden abfällt. Unter Umständen kann er auch um mindestens 3% bis 5% in weniger als 100 Stunden abfallen, um als eine solche großflächige Verkalkung erkannt zu werden. Der Abfall des Heizleiterstroms wird bei annähernd gleicher Wassertemperatur bewertet, da der Heizleiterstrom beim Aufheizen des Wassers wegen der dabei ansteigenden Heizleitertemperatur ebenfalls fällt. Dies wird auch später anhand der 5 konkret erläutert.
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Es kann ein Temperatursensor an der Heizeinrichtung vorgesehen sein, vorteilhaft mit Abstand zu dem Heizelement bzw. dessen Heizleitern. Das kann ein kleiner Sensor sein, beispielsweise ein NTC. Der Abstand sollte so groß sein, dass der Temperatursensor nur die Temperatur am Träger und somit die des Wassers erfasst.
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Im zweiten Fall kann ein zu schneller Anstieg des Leckstroms als eine lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkung bzw. ein vorgenannter hot spot an der Mediumseite des Trägers erkannt werden. Dies sollte der Steuerung auffallen, muss aber noch nicht zwingend zur Reduzierung der Heizleistung bzw. Abschalten der Heizeinrichtung führen. Ein solcher zu schneller Anstieg des Leckstroms kann dann vorliegen, wenn der Leckstrom um mindestens 30% in weniger als 20 Stunden ansteigt, unter Umständen auch um mindestens 30% in weniger als 5 Stunden oder um mindestens 50% in weniger als 10 Stunden. Als weitere Bedingung kann vorgesehen sein, dass ein absoluter Maximalwert bzw. Grenzwert für den Leckstrom überschritten wird, nicht nur damit eine solche lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkung oder ein hot spot an der Mediumseite des Trägers erkannt wird, sondern damit die Heizleistung zumindest reduziert oder sogar die Heizeinrichtung abgeschaltet wird. Dieser absolute Grenzwert kann insbesondere mindestens 200% des Leckstroms betragen, der zu Beginn des Betriebs der Heizeinrichtung im sauberen Zustand bzw. ohne Verkalkung der Mediumseite des Trägers vorliegt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass eine großflächige Verkalkung an der Mediumseite des Trägers erkannt worden ist, eine optische und/oder akustische Signalisierung an eine Bedienperson erfolgt. Damit sollte mitgeteilt werden, dass eine Reinigung bzw. Entkalkung der Heizeinrichtung bzw. des mit der Heizeinrichtung versehenen Geräts erfolgen sollte. In diesem Fall kann der Betrieb der Heizeinrichtung noch problemlos weitergehen, entweder mit voller Heizleistung oder aber zumindest mit reduzierter Heizleistung. Es kann auch vorgesehen sein, dass bei Erreichen eines ersten Grenzwerts für eine großflächige Verkalkung die Heizleistung um 20% bis 50% reduziert werden muss, aber zumindest die Heizeinrichtung noch weiter betrieben werden kann. Bei Erreichen eines zweiten Grenzwerts kann dann entweder der Betrieb nur noch mit geringer Heizleistung weitergeführt werden, beispielsweise maximal 20% bis 30%, oder aber die Heizeinrichtung wird ganz abgeschaltet.
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Für den Fall, dass eine lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkung oder ein hot spot erkannt worden ist durch zu schnellen starken Anstieg des Leckstroms wie zuvor erläutert, kann die Heizleistung des Heizelements stark reduziert werden. Insbesondere kann die Heizeinrichtung sofort abgeschaltet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie zuvor erläutert, auch ein absoluter Maximalwert bzw. Grenzwert für den Leckstrom überschritten worden ist. Ansonsten besteht nämlich die Gefahr einer nachhaltigen Beschädigung oder sogar Zerstörung der Heizeinrichtung. Dann ist es möglich, dass nach einer Wartezeit von 2 Sekunden bis 20 Sekunden die Heizeinrichtung wieder eingeschaltet wird, vorteilhaft mit derselben Heizleistung wie zuvor bzw. sofort mit voller Heizleistung, also sehr schnell. Durch eine schnelle Temperaturänderung kann ein Abplatzen einer lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Verkalkung bewirkt werden, evtl. auch beim hot spot. Dieser Vorgang kann unter Umständen auch mehrfach wiederholt werden, beispielsweise zweimal bis fünfmal oder sogar zehnmal. Erst wenn dann bei der Überwachung des Leckstroms und dessen erneutem sehr schnellen starken Anstieg erkannt wird, dass immer noch eine lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkung oder der hot spot vorliegt, welche dann offensichtlich nicht zum Abplatzen gebracht worden ist bzw. entfernt werden kann, sollte die Heizleistung wie vorbeschrieben reduziert werden oder unter Umständen sogar die Heizeinrichtung ganz abgeschaltet werden zusammen mit einer entsprechenden Fehleranzeige an eine Bedienperson. Das Abplatzen bzw. Entfernen einer solchen lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Verkalkung oder eines hot spot kann nämlich dadurch erkannt werden, dass bei erneutem Einschalten der Heizeinrichtung, insbesondere mit zuvor eingestellter bzw. voller Heizleistung, nicht sofort wieder ein schneller starker Anstieg des Leckstroms erfolgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass weder die Überwachung des Heizleiterstroms einen langsamen Abfall noch die Überwachung des Leckstroms durch die Dielektrikumschicht einen schnellen starken Anstieg innerhalb Sekunden zeigen, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt sowohl ein starker Anstieg des Leckstroms als auch ein relativ schneller Abfall des Heizleiterstroms zur gleichen Zeit auftreten, der Fall eines Leerkochens eines mit der Heizeinrichtung versehenen Behälters oder ein Trockengehen bei Einsatz der Heizeinrichtung in einer Pumpe erkannt wird. In diesem Fall fällt nämlich aufgrund der relativ schnellen Temperaturerhöhung der gesamten Heizeinrichtung der Heizleiterstrom deutlich schneller ab als bei einer großflächigen Verkalkung. Es wird ja keine Wärme mehr abgenommen. Des Weiteren steigt auch der Leckstrom an, allerdings mit quasi gleicher Geschwindigkeit wie der Heizleiterstrom abfällt, da es ja keine lokale Überhitzung ist, sondern eine großflächige bzw. vollflächige. In diesem Fall sollte die Heizeinrichtung sofort abgeschaltet werden, da im Übrigen ein weiterer Betrieb auch keinen Sinn macht und vor allem die Gefahr einer Beschädigung zu groß ist. Zusätzlich sollte ein entsprechendes Signal an eine Bedienperson ausgegeben werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung einer Geschirrspülmaschine eingesetzt, wobei vorteilhaft die Geschirrspülmaschine eine Steuerung für den Betrieb einer Wasserenthärtung in der Geschirrspülmaschine aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass zu Beginn des Betriebs der Geschirrspülmaschine, also nach der ersten Inbetriebnahme, die Wasserenthärtung in der Geschirrspülmaschine abgesenkt wird für eine niedrigere Wasserenthärtung. Diese kann solange abgesenkt werden oder im abgesenkten Zustand betrieben werden, bis über einen entsprechenden Abfall des Heizleiterstroms auf vorgenannte Art und Weise eine großflächige Verkalkung an einer Mediumseite des Trägers erkannt wird. Als Reaktion darauf kann eine Signalisierung an eine Bedienperson erfolgen, dass der Träger bzw. die Heizeinrichtung manuell zu entkalken ist. Die Steuerung der Geschirrspülmaschine kann die Wasserenthärtung wieder erhöhen, insbesondere kurzzeitig stark erhöhen und dann wieder etwas absenken, um dann mit verringerter Wasserenthärtung weiterzuarbeiten. Für den Einsatz in einer Geschirrspülmaschine kann eine solche erfindungsgemäße Heizeinrichtung beispielsweise in eine Pumpe zum Erhitzen und zum Fördern des Wassers in der Geschirrspülmaschine eingebaut werden, wie dies beispielsweise die
DE 102010043727 A1 zeigt.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung mit Schichtaufbau in Explosionsdarstellung,
- 2 bis 4 verschiedene Diagramme mit Verläufen des Leckstroms und des Heizleiterstroms und
- 5 ein Diagramm für einen Verlauf des Heizleiterstroms und der Leistung beim langsamen großflächigen Verkalken.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
1 ist eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
11 in Explosionsdarstellung mit Schrägansicht dargestellt, die deren Schichtaufbau zeigt. Sie entspricht derjenigen aus der vorgenannten
DE 102013200277 A1 . Die Heizeinrichtung
11 weist einen Träger
13 auf, der hier aus Metall bzw. Edelstahl besteht. Er kann flach bzw. plan sein, alternativ auch rohrförmig, wie es aus der vorgenannten
DE 102010043727 A1 bekannt ist. An seiner Unterseite bzw. Mediumseite befindet sich zu erhitzendes Wasser bzw. fließt zu erhitzendes Waser vorbei. Auf dem Träger
13 ist eine dielektrische Isolationsschicht
15 vorgesehen als Basis-Isolation des Trägers
13, die aus Glas oder Glaskeramik bestehen kann. Sie muss elektrisch isolieren, auch bei hohen Temperaturen. Ein solches Material ist dem Fachmann grundsätzlich für Isolationsschichten bekannt.
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Auf der ersten Isolationsschicht 15 ist ein einziges Heizelement 17 mit mäanderförmigem Verlauf aufgebracht, das aus einzelnen hintereinander bzw. seriell geschalteten Heizleitern 17' besteht. Diese sind weitgehend gerade und durch gebogene Abschnitte verbunden. Das Heizelement 17 ist als Dickschichtheizelement aus üblichem Material ausgebildet und mit üblichen Verfahren aufgebracht. An seinen beiden Enden befinden sich vergrößerte Felder als Heizleiterkontakte 18, die möglicherweise auch aus anderem Material bestehen, beispielsweise einem für Dickschicht-Heizleiter üblichen Kontaktmaterial mit erheblich besserer elektrischer Leitfähigkeit und vor allem besseren Kontaktierungseigenschaften.
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Über dem Heizelement 17 ist großflächig eine Dielektrikumschicht 20 aufgebracht, die glasartig bzw. eine Glasschicht sein kann. Die Dielektrikumschicht 20 verschließt sozusagen die Heizeinrichtung 11 bzw. isoliert das Heizelement 17 und verschließt dieses sowie den Schichtaufbau, insbesondere gegen schädliche oder aggressive Umwelteinflüsse. Zur elektrischen Kontaktierung an das Heizelement 17 bzw. dessen Heizleiterkontakte 18 weist die Dielektrikumschicht 20 Fenster 21 genau über den Heizleiterkontakten 18 auf für ein an sich bekanntes Durchkontaktieren.
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Auf der Dielektrikumschicht 20 ist eine Elektrode 24 als elektrisch leitfähige Anschlussfläche aufgebracht, und zwar in Form einer großflächigen Schicht. Diese ist hier genau so groß wie der Träger 13 und die Isolationsschicht 15. Die Elektrode 24 sollte nicht direkt auf den Träger 13 oder das Heizelement 17 überlappen, da sie von Träger 13 und Heizelement 17 isoliert sein muss. Auf der Elektrode 24 kann sich eine weitere Abdeckung bzw. Isolationsschicht befinden, muss aber nicht. Sie weist an den Ecken zwei Ausschnitte 25 auf, die zusammen mit den darunterliegenden Fenstern 21 in der Dielektrikumschicht 20 eine zuvor beschriebene Kontaktierung an die Heizleiterkontakte 18 ermöglichen. Das Heizelement 17 bzw. dessen Heizleiter 17' bilden die andere bzw. erste Anschlussfläche.
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Dargestellt ist auch eine Steuerung 29 mit Leistungsversorgung für das Heizelement 17. Die Steuerung 29 weist einen Speicher 29' auf. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt und braucht nicht näher erläutert zu werden. Des Weiteren ist eine Messeinrichtung 30 dargestellt, die einerseits mit der Elektrode 24 über einen Elektrodenkontakt 26 und andererseits mit dem Heizelement 17 verbunden ist. Wie zuvor erläutert worden ist, ändern sich die dielektrischen bzw. resistiven Eigenschaften der zweiten Dielektrikumschicht 20 mit der Temperatur, und der von der Messeinrichtung 30 erfasste Strom bzw. Ableitstrom ändert sich entsprechend bzw. steigt an mit ansteigender Temperatur. Die Messeinrichtung erfasst dann diese Änderung der Eigenschaften der Dielektrikumschicht 20 zwischen Heizelement 17 und Elektrode 24.
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In der 2 ist schematisch dargestellt, wie sich das Signal bzw. ein Leckstrom entsprechend der y-Achse im zeitlichen Verlauf ändert. Der zeitliche Verlauf ist hier über viele Stunden dargestellt, beispielsweise über 160 Stunden als Betriebsdauer. Der durchgezogen dargestellte Verlauf A ist ein normaler Betrieb, das leichte Ansteigen des Verlaufs A kommt durch eine langsame, flächige Verkalkung an der Heizeinrichtung 11 bzw. am Träger 13 auf dessen Mediumseite.
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Der gestrichelt dargestellte Verlauf B stellt das Auftreten einer lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Verkalkung bzw. eines vorgenannten hot spots dar. Das Ansteigen im Verlauf einiger Stunden, beispielsweise 1 Stunde bis 5 Stunden bis zum Maximum, bewirkt mehr als eine Verdopplung des Signals bzw. Leckstroms am Maximum. Dann ist beim Verlauf B die kleinflächige Verkalkung abgeplatzt bzw. hat sich abgelöst, weswegen bei diesem Verlauf B der Leckstrom bzw. das Signal eben wieder abfällt und dann wieder dem normalen Verlauf A entspricht. Ob die Verkalkung hier vollständig oder unvollständig abgelöst worden ist kann aufgrund des Abfalls alleine nicht unterschieden werden. Sollte der Verlauf B dann parallel zum Verlauf A weiterlaufen, aber mit erhöhtem Wert, so ist davon auszugehen, dass die Ablösung nicht vollständig war. Dies kann zwar erkannt werden, Gegenmaßnahmen sind jedoch nicht unbedingt notwendig.
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Der strichpunktiert dargestellte Verlauf C bedeutet, ähnlich wie beim Verlauf B, das Bilden einer erneuten lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Verkalkung. Deswegen sollte sie im Anstiegsbereich ähnlich verlaufen wie beim Verlauf B. Allerdings löst sich hier die Verkalkung nicht ab, ein hot spot besteht weiter, weswegen der Leckstrom bzw. das Signal weiter ansteigt. Wenn es einen Grenzwert für den Leckstrom erreicht, hier den Grenzwert GL, der beispielsweise etwas höher liegt als das Vierfache des normalen Leckstroms entsprechend dem Verlauf A, so wird dies als gefährliche lokal begrenzte bzw. kleinflächige Verkalkung erkannt mit einer zu hohen Temperatur. Dann wird die Heizleistung am Heizelement 17 entsprechend stark reduziert oder dieses sogar abgeschaltet, um eine Beschädigung zu vermeiden. Über eine nicht dargestellte Signalisierung kann die Steuerung 29 eine Bedienperson zur Wartung bzw. zur Entkalkung aufrufen.
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In 3 sind Verläufe D und E für den Heizleiterstrom I über der Zeit t dargestellt, und zwar wieder über eine Zeitachse von mehreren Stunden. Der durchgezogen dargestellte Verlauf D entspricht einem normalen Betrieb, das leichte Abfallen des Heizleiterstroms stellt eine langsame großflächige bzw. vollständige Verkalkung an der Mediumseite des Trägers 13 dar. Des Weiteren ist strichliert ein Grenzwert GH für den Heizleiterstrom dargestellt, der beispielsweise 90% oder 80% des Heizleiterstroms zu Beginn betragen kann, hier sind es 90%. Wird dieser Grenzwert GH unterschritten, so ist die großflächige Verkalkung an der Mediumseite des Trägers 13 zu stark, demzufolge eine Wärmeabnahme durch das Wasser zu gering und die Gefahr einer Überhitzung der Heizeinrichtung zu groß. Dies kann also auch als Signal ausgewertet werden, damit die Steuerung 29 die Heizleistung reduziert oder die Heizeinrichtung 11 abschaltet samt entsprechender Signalisierung an eine Bedienperson. Im dargestellten Beispiel kann dies nach etwa 10 bis 20 Stunden sein.
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Der strichpunktiert dargestellte Verlauf E soll schematisch zeigen, wie ab einem bestimmten Zeitpunkt der Heizleiterstrom deutlich stärker bzw. schneller abfällt, wenn an der Mediumseite des Trägers 13 kein Wasser zum Erhitzen und zur Abnahme der Wärme vorhanden ist. Dies ist der vorbeschriebene Fall des Leerkochens bzw. des Trockengehens. Dann wird der Grenzwert GH rasch unterschritten, was von der Steuerung 29 wieder erkannt werden kann. Da der Abfall des Heizleiterstroms dann aber noch erheblich schneller erfolgt als beim Verlauf D, kann eben dieser spezielle Fall des verringerten Heizleiterstroms festgestellt werden. Falls gleichzeitig auch der Leckstrom ansteigt, beispielsweise ähnlich wie beim Verlauf C entsprechend 2, kann die Steuerung 29 dies nicht als Fall einer plötzlich auftretenden lokal begrenzten bzw. kleinflächigen Verkalkung auswerten, ebenfalls nicht als Fall einer großflächigen Verkalkung, sondern eben als Ereignis des Leerkochens bzw. des Trockengehens. Dies kann dann in einer speziellen Signalisierung an eine Bedienperson angezeigt werden. Des Weiteren schaltet die Steuerung 29 dann die Heizeinrichtung 11 auf alle Fälle ganz ab, da zum Einen ansonsten die Gefahr einer Beschädigung besteht und zum Anderen ein Heizen ohnehin keinerlei Sinn mehr macht.
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Im Fall eines solchen Leerkochens bzw. Trockengehens fällt der Heizleiterstrom beispielsweise innerhalb weniger als einer Minute, beispielsweise innerhalb von 10 Sekunden bis 30 Sekunden, so stark ab, dass er den Grenzwert GH unterschreitet. Entsprechend schnell steigt dann auch das Signal entsprechend 2.
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In der 4 ist dargestellt, wie sich bei einer Wassertemperatur von 50°C der Leckstrom, hier dargestellt durch eine entsprechende Spannung der Messeinrichtung 30, im Sekundenbereich verhält beim Einschalten der Heizeinrichtung 11 bzw. des einzigen Heizelements 17. Der durchgezogene Verlauf ist ein Normalbetrieb, so dass zu ersehen ist, dass nach ein bis zwei Sekunden der Leckstrom einen an sich konstant scheinenden Wert erreicht mit einem Verlauf, wie er im Wesentlichen dem Verlauf A der 2 entspricht. Ist ein hot spot bzw. eine lokal begrenzte oder kleinflächige Verkalkung gegeben bereits bei Einschalten der Heizeinrichtung 11, so steigt der Leckstrom entsprechend dem gestrichelten Verlauf auf das Dreifache an. Wird diese Verkalkung bzw. dieser hot spot aber nicht größer bzw. schlimmer, so wird ebenfalls ein relativ stabiler Zustand erreicht, was sich in dem im Wesentlichen konstanten Verlauf darstellt. Hier braucht der Leckstrom für den Anstieg etwa 10 Sekunden, es ist also auch ein sehr schneller Vorgang.
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In 5 ist dargestellt, wie sich der Heizleiterstrom I über der Zeit t (in Minuten) bei Aufwachsen einer großflächigen Verkalkung verhält. Der Heizleiterstrom I ist auf der linken y-Achse aufgezeichnet, auf der rechten y-Achse ist die Leistung P aufgezeichnet. Außerdem sind die Spannung U und die Temperatur T aufgezeichnet, diese beiden zwar ohne Skalierung, jedoch mit korrektem relativen Verlauf. Die prinzipiellen Verläufe von Heizleiterstrom I und Leistung P über 100 Betriebsstunden veranschaulichen beispielhaft das Aufwachsen einer großflächigen Verkalkung bei den Betriebsbedingungen von U=230V und einer Temperatur von T=65°C. Diese kann sich auch über eine Vielzahl von Betriebszyklen aufaddieren. Die Zeitachse ist im Bereich links der gedoppelt gestrichelten Linie nicht wie im rechten skaliert, innerhalb der beiden Bereiche jeweils aber schon linear.
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Nach dem Einschalten bei t=0 steigt der Heizleiterstrom I mit der ansteigenden Spannung auf einen Maximalwert an, die Leistung P auch, beispielsweise innerhalb weniger Sekunden, dann fallen beide ab. Die Temperatur T steigt eher langsam an, bis sie 65°C erreicht hat. Dies ist hier nach etwa 18 Minuten. Da die Erwärmung des Heizelements aufgrund der Erwärmung des Wassers nun bei konstanter Wassertemperatur wegfällt und somit der dadurch entstehende Anteil der Veränderung des Widerstands des Heizelements und somit des Heizleiterstroms I, wird dessen Abfall schwächer bzw. geringer. Hier beginnt die großflächige Verkalkung. Diese startet also auch bereits bei einer Temperatur, die mit 65°C deutlich unter der von kochendem Wasser liegt. Durch diese entstehende großflächige Verkalkung fällt der Heizleiterstrom I weiter ab, im Beispiel etwa 6% in 100 Stunden bzw. 6000 Minuten. Die Heizleistung fällt entsprechend ab, da die Spannung U ja erkennbar gleich bleibt.
