DE102017001169B4 - Heater for heating water and operating procedures - Google Patents

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Abstract

Heizgerät (2) zur Erwärmung von Wasser (4),
- mit einem Behälter (6) zur Befüllung mit Wasser (4), und
- mit einem Heizelement (12), das in einem Füllzustand (F) des Behälters (6) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Wasser (4) steht, und
- mit einem Wasser-Sensor (14) zur Ermittlung einer Wasser-Temperatur (TW) des Wassers (4) im Füllzustand (F), und
- mit einer Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) in Abhängigkeit der vom Wasser-Sensor (14) ermittelten Wasser-Temperatur (TW), dadurch gekennzeichnet, dass
- das Heizgerät (2) einen Heiz-Sensor (18) zur Ermittlung einer Heiz-Temperatur (TH) des Heizelements (12) aufweist, und
- die Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) auch in Abhängigkeit der vom Heiz-Sensor (18) ermittelten Heiz-Temperatur (TH) ausgebildet ist,
- die Steuerung (16) mindestens einen Zweipunkt-Regler (20,22) enthält,
- die Steuerung (16) einen zweiten Zweipunkt-Regler (22) zur Regelung eines Istwertes (THI) der Heiz-Temperatur (TH) auf einen Sollwert (THS) hin enthält, der nur für den Fall, dass ein Istwert (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) größer einem Grenzwert (G) ist, dem ersten Zweipunkt-Regler (20) unterlagert ist und ansonsten inaktiv geschaltet ist, wobei der zweite Zweipunkt-Regler (22) als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal (A) für das Heizelement (12) aufweist.

Figure DE102017001169B4_0000
Heater (2) for heating water (4),
- With a container (6) for filling with water (4), and
- With a heating element (12) in a filling state (F) of the container (6) at least partially in direct contact with the water (4), and
- With a water sensor (14) for determining a water temperature (TW) of the water (4) in the filling state (F), and
- With a controller (16) for operating the heating element (12) in the filling state (F) in dependence of the water sensor (14) determined water temperature (TW), characterized in that
- The heater (2) has a heating sensor (18) for determining a heating temperature (TH) of the heating element (12), and
- The controller (16) for operating the heating element (12) in the filling state (F) is also formed as a function of the heating sensor (18) determined heating temperature (TH),
the controller (16) contains at least one two-point controller (20, 22),
- The controller (16) includes a second two-step controller (22) for controlling an actual value (THI) of the heating temperature (TH) to a setpoint (THS) down, the only in the event that an actual value (TWI) of Water temperature (TW) is greater than a limit (G), the first two-step controller (20) is subordinate and otherwise inactive, wherein the second two-step controller (22) as a manipulated variable, a binary activation signal (A) for the heating element (12).
Figure DE102017001169B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizgerät zur Erwärmung von Wasser und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Heizgerätes.The invention relates to a heater for heating water and a method for operating such a heater.

In verschiedensten Situationen ist es wünschenswert, Wasser zu erwärmen bzw. zu erhitzen. Ein derartiger Bedarf besteht insbesondere auch an Bord von Flugzeugen, zum Beispiel zur Zubereitung von Heißgetränken oder Speisen oder als Warmwasser z. B. an einem Handwasch- oder Spülbecken.In various situations, it is desirable to heat or heat water. Such a need exists in particular on board aircraft, for example for the preparation of hot drinks or food or hot water z. B. on a hand wash or sink.

Ein Heizgerät zur Erwärmung von Wasser ist beispielsweise aus der WO 2005/ 041 731 A2 bekannt. Das Heizgerät enthält einen Behälter zur Befüllung mit Wasser, ein Heizelement in einer Einlasszone des Behälters, einen Temperatursensor an der Einlasszone und eine Steuerung, um das Heizelement unter Benutzung der Information vom Temperatursensor zu steuern, um eine vorbestimmte Temperatur im Behälter aufrecht zu erhalten.A heater for heating water is for example from the WO 2005/041 731 A2 known. The heater includes a container for filling with water, a heating element in an inlet zone of the container, a temperature sensor at the inlet zone and a controller for controlling the heating element using the information from the temperature sensor to maintain a predetermined temperature in the container.

Aus der DE 32 09 780 A1 ist ein thermischer Grenzschalter zur Feststellung des Über- bzw. Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter bekannt, der ein elektrisch geheiztes oder gekühltes Element enthält, das auf der Höhe des zu erfassenden Füllstandes angeordnet ist. Ein Temperatursensor spricht auf die Temperatur des Elements an. Ein weiterer Temperatursensor ist auf der gleichen Höhe so angeordnet, dass er auf die Umgebungstemperatur anspricht. Eine Temperaturregelanordnung empfängt die Ausgangssignale der beiden Temperatursensoren und sucht die Temperatur des Elements auf einem Wert zu halten, der um eine vorbestimmte konstante Temperaturdifferenz von der Umgebungstemperatur abweicht. Ein Schwellenwertschalter spricht an, wenn die von der Temperaturregelanordnung dem Element zugeführte Heiz- oder Kühlleistung einen bestimmten Schwellwert überschreitet und zeigt dadurch das Eintauchen des Elements in die Flüssigkeit an.From the DE 32 09 780 A1 a thermal limit switch for detecting the exceeding or falling below a predetermined level in a liquid container is known, which contains an electrically heated or cooled element, which is arranged at the level of the detected level. A temperature sensor responds to the temperature of the element. Another temperature sensor is located at the same height so that it responds to the ambient temperature. A temperature control arrangement receives the output signals of the two temperature sensors and seeks to maintain the temperature of the element at a value which deviates from the ambient temperature by a predetermined constant temperature difference. A threshold switch responds when the heating or cooling power supplied by the temperature control assembly to the element exceeds a certain threshold, thereby indicating the immersion of the element in the liquid.

Aus der DE 10 2008 059 060 A1 ist ein beheizbarer, schalen- oder wannenförmiger und ortsfest eingebauter Brauchwasserbehälter, also z.B. ein Spülbecken, eine Badewanne oder dergleichen, bekannt, bei dem zur Erwärmung eines einfüllbaren Mediums, insbesondere Wasser, ein Heizelement vorgesehen ist, insbesondere ein Heizelement, mit dem Medium auf Induktionsbasis erwärmbar ist, wobei bei vorteilhaften Ausgestaltungen Grenz- und Schwellwerte überwacht werden, auf deren Basis das Heizelement automatisch aktiviert oder deaktiviert wird, so dass in dem Brauchwasserbehälter befindliches Medium in einer durch die Grenz- und Schwellwerte vorgegebenen Temperaturbandbreite gehalten werden kann.From the DE 10 2008 059 060 A1 is a heatable, shell or trough-shaped and stationary built-in hot water tank, so for example a sink, a bathtub or the like, known, in which for heating a fillable medium, in particular water, a heating element is provided, in particular a heating element, with the medium on an induction basis can be heated, wherein in advantageous embodiments, limit and threshold values are monitored on the basis of which the heating element is automatically activated or deactivated, so that located in the process water tank medium can be maintained in a predetermined by the threshold and threshold temperature range.

Aus der DE 10 2008 049 277 A1 ist ein elektrisches Heizsystem bekannt, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine elektrische Heizeinrichtung mit zumindest einem an eine Energiequelle angeschlossenem PTC-Heizelement, und zumindest eine Vorrichtung zur stufenlosen Ansteuerung des PTC-Heizelements aufweist, wobei die zumindest eine Vorrichtung zur stufenlosen Ansteuerung des PTC-Heizelements einen DC/DC-Wandler umfasst, welcher die Heizleistung des zumindest einen PTC-Heizelements regelt. Weiterhin ist ein Verfahren zur stufenlosen Ansteuerung einer elektrischen Heizeinrichtung bekannt, insbesondere einer elektrischen PTC-Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche zumindest ein PTC-Heizelement aufweist, wobei die Spannung der elektrischen Heizeinrichtung mittels einer Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers geregelt wird.From the DE 10 2008 049 277 A1 an electric heating system is known, in particular for a motor vehicle, which has at least one electric heater with at least one connected to a power source PTC heating element, and at least one device for continuously controlling the PTC heating element, wherein the at least one device for continuously controlling the PTC Heating element comprises a DC / DC converter, which regulates the heating power of the at least one PTC heating element. Furthermore, a method for continuously controlling an electric heating device is known, in particular an electric PTC heating device for a motor vehicle, which has at least one PTC heating element, wherein the voltage of the electric heating device is controlled by means of an output voltage of a DC / DC converter.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Erwärmung von Wasser zu verbessern.The object of the present invention is to improve the heating of water.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Heizgerät gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.The object is achieved by a heater according to claim 1. Preferred or advantageous embodiments of the invention and other categories of invention will become apparent from the other claims, the following description and the accompanying drawings.

Das Heizgerät dient zur Erwärmung von Wasser und enthält einen Behälter zur Befüllung mit Wasser. Das Heizgerät enthält ein Heizelement. In einem Füllzustand des Behälters steht das Heizelement zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Wasser. Der Füllzustand ist derjenige Zustand, wenn der Behälter bis zu einer Mindestfüllhöhe oder höher mit Wasser befüllt ist. Das Heizelement steht dann mit dem sich innerhalb des Behälters befindenden Wassers in Kontakt bzw. ist von diesem umspült. The heater is used for heating water and contains a container for filling with water. The heater contains a heating element. In a filling state of the container, the heating element is at least partially in direct contact with the water. The fill state is that state when the container is filled to a minimum fill level or higher with water. The heating element is then in contact with the water located inside the container or is surrounded by it.

Das Heizgerät enthält einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur („Wassertemperatur“ genannt) des Wassers im Behälter, wenn sich dieser im Füllzustand befindet. Der Sensor wird daher „Wasser-Sensor“ genannt. Das Heizgerät enthält eine Steuerung. Die Steuerung dient zum Betreiben des Heizelements in Abhängigkeit der vom Wasser-Sensor ermittelten Wassertemperatur im Füllzustand.The heater includes a temperature sensor for determining a temperature (called "water temperature") of the water in the container when it is in the fill state. The sensor is therefore called "water sensor". The heater contains a controller. The controller is used to operate the heating element as a function of the water temperature detected by the water sensor in the filling state.

Das Heizgerät enthält auch einen weiteren Temperatursensor zur Ermittlung einer Temperatur („Heiztemperatur“ genannt) des Heizelements. Dieser Sensor wird daher „Heiz-Sensor“ genannt. Die Steuerung ist zum Betreiben des Heizelements im Füllzustand auch in Abhängigkeit der vom Heizsensor ermittelten Heiztemperatur ausgebildet. Die Steuerung betreibt das Heizelement also in Abhängigkeit der von den jeweiligen Sensoren ermittelten Wassertemperatur und in Abhängigkeit der Heiztemperatur.The heater also includes another temperature sensor for detecting a temperature (called "heating temperature") of the heating element. This sensor is therefore called "heating sensor". The control is designed to operate the heating element in the filling state as a function of the heating temperature determined by the heating sensor. The controller thus operates the heating element as a function of the determined by the respective sensors Water temperature and depending on the heating temperature.

Die Steuerung ist insbesondere eine Regelung oder enthält eine solche. In diesem Fall erfolgt also eine Rückkopplung der Wassertemperatur und/oder der Heiztemperatur auf die Steuerung im Sinne eines Regelkreises. Der Heizsensor ist insbesondere in das Heizelement integriert, um dessen Temperatur (Heiztemperatur) zu erfassen. Der Temperatursensor ist insbesondere in Thermoelement.The controller is in particular a control or contains such. In this case, therefore, there is a feedback of the water temperature and / or the heating temperature to the controller in the sense of a control loop. The heating sensor is integrated in particular in the heating element to detect its temperature (heating temperature). The temperature sensor is especially in thermocouple.

Anstelle der jeweiligen Temperatur können auch mit der Temperatur korrelierte Kenngrößen, die auf die entsprechende Temperatur zurückschließen lassen, erfasst und ggf. weiterverarbeitet werden. Der Wassersensor ist insbesondere ein Tauchsensor, der im Füllzustand des Behälters zumindest bereichsweise in das im Behälter befindliche Wasser eintaucht.Instead of the respective temperature, parameters which are correlated with the temperature and which can be deduced to the corresponding temperature can also be detected and optionally further processed. The water sensor is in particular a submersible sensor, which dips at least partially into the water in the container in the filling state of the container.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht nur die Wassertemperatur, sondern auch die Heiztemperatur des Heizelements erfasst wird und in die Steuerung des Heizelements eingeht, so kann das Heizelement auch so angesteuert werden, dass sich an diesem eine bestimmte bzw. gewünschte Heiztemperatur einstellt. Insbesondere kann im Bedarfsfall, zum Beispiel in einem Warmhaltebetrieb bzw. in einer letzten Phase der Aufheizung des Wassers vor Erreichen einer gewünschten Wassertemperatur, die Temperatur des Heizelements gegenüber einem hinsichtlich der Heiztemperatur „ungesteuerten“ Betrieb abgesenkt werden. Eine Absenkung der Heizelementtemperatur führt zu einer verringerten Kalkablagerung am Heizelement sowie zu einer verlängerten Lebensdauer des Heizelements.The invention has the advantage that not only the water temperature, but also the heating temperature of the heating element is detected and enters into the control of the heating element, the heating element can also be controlled so that adjusts to this a specific or desired heating temperature. In particular, if necessary, for example in a holding operation or in a final phase of the heating of the water before reaching a desired water temperature, the temperature of the heating element with respect to the heating temperature "uncontrolled" operation can be lowered. A lowering of the heating element temperature leads to a reduced calcification on the heating element and to an extended life of the heating element.

Die Steuerung enthält mindestens einen Zweipunktregler. Für derart einfache Steuerungs- bzw. Regelaufgaben, wie die Erwärmung von Brauchwasser, ist ein Zweipunktregler in der Regel ausreichend und außerdem einfach und kostengünstig realisierbar.The controller contains at least one two-position controller. For such simple control tasks, such as the heating of service water, a two-point controller is usually sufficient and also easy and inexpensive to implement.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform enthält die Steuerung einen Zweipunktregler, der zur Regelung eines Istwertes der Wassertemperatur auf einen Sollwert der Wassertemperatur hin dient. Der Zweipunktregler weist als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal für das Heizelement auf. Mit Hilfe des binären Aktivierungssignals wird das Heizelement entweder ausgeschaltet bzw. nicht aktiviert und führt somit keinerlei Erwärmung des Wassers durch oder es wird mit einheitlicher „voller Leistung“, zum Beispiel einer Nennleistung betrieben. Der entsprechende Betrieb erfolgt zum Beispiel durch Anlegen einer vollen Versorgungsspannung an ein elektrisches Widerstandsheizelement, es erfolgt also keine Drosselung, gezielte PWM-Ansteuerung (Puls-Weit-Modulation), Einschaltung eines Vorwiderstandes oder ähnliches. Gemäß dem binären Aktivierungssignal erfolgt also ein einfacher Wechsel zwischen Betrieb und Aus-Zustand (z.B. Einschalten und Ausschalten) des Heizelements. Die Versorgungsspannung ist beispielsweise die volle Bordnetzspannung eines Flugzeuges. Ein derartiger Zweipunktregler ist besonders einfach zu realisieren und führt insgesamt zu einem einfachen und kostengünstigen Heizgerät.In a preferred variant of this embodiment, the controller includes a two-position controller, which serves to regulate an actual value of the water temperature to a desired value of the water temperature. The two-position controller has as a manipulated variable a binary activation signal for the heating element. With the help of the binary activation signal, the heating element is either turned off or not activated and thus performs no heating of the water or it is operated with a uniform "full power", for example, a nominal power. The corresponding operation takes place, for example, by applying a full supply voltage to an electrical resistance heating element, so there is no throttling, targeted PWM control (pulse-wide modulation), switching on a series resistor or the like. Thus, according to the binary enable signal, there is a simple change between operation and off-state (e.g., turn-on and turn-off) of the heating element. The supply voltage is, for example, the full vehicle electrical system voltage of an aircraft. Such a two-point controller is particularly easy to implement and leads to a total of a simple and inexpensive heater.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Wassertemperatur vorgebbar. Am Heizgerät kann somit vorgegeben werden, auf welche Temperatur das Wasser zu erwärmen bzw. auf welcher Temperatur dieses im Betrieb zu halten ist. Üblich sind hier beispielsweise zwei oder mehr verschiedene vorgegebene Temperaturen, zwischen denen am Gerät gewählt werden kann. Beispielsweise sind drei verschiedene Wassertemperaturen von 43°C, 49°C und 54°C vorwählbar bzw. vorgebbar.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the water temperature can be predetermined. On the heater can thus be specified, to which temperature to heat the water or at what temperature this is to be kept in operation. Usual here are, for example, two or more different predetermined temperatures between which can be selected on the device. For example, three different water temperatures of 43 ° C, 49 ° C and 54 ° C can be preselected or specified.

Gemäß der Erfindung ist der oben genannte Zweipunktregler ein erster Regler. Die Steuerung enthält dann einen zweiten Zweipunktregler. Dieser dient zur Regelung eines Istwertes der Heiztemperatur auf einen Sollwert der Heiztemperatur hin. Dieser zweite Zweipunktregler ist nur für einen bestimmten Fall dem ersten Zweipunktregler unterlagert, ansonsten ist dieser inaktiv geschaltet, das heißt der erste Zweipunktregler übernimmt alleine die Regelaufgabe. Der zweite Zweipunktregler ist dem ersten dann unterlagert, wenn ein Istwert der Wassertemperatur größer einem Grenzwert ist. Der Grenzwert der Wassertemperatur ist hierbei kleiner dem Sollwert der Wassertemperatur. Der zweite Zweipunktregler weist als Stellgröße ebenfalls ein binäres Aktivierungssignal für das Heizelement auf. Im inaktiven Fall, wenn also die Wassertemperatur unterhalb des Grenzwertes liegt, trägt der zweite Zweipunktregler nicht zur Ansteuerung des Heizelementes bei, diese erfolgt alleine aus dem ersten Regler. Die beiden Aktivierungssignale werden zum Heizelement hin insbesondere im Sinne einer Und-Verknüpfung zusammengeführt.According to the invention, the above two-position controller is a first controller. The controller then contains a second two-position controller. This is used to control an actual value of the heating temperature to a setpoint of the heating temperature. This second two-position controller is subordinated to the first two-step controller only for a specific case, otherwise this is inactive, that is, the first two-step controller takes over the control task alone. The second two-step controller is then subordinated to the first, if an actual value of the water temperature is greater than a limit. The limit of the water temperature is less than the setpoint of the water temperature. The second two-position controller also has a binary activation signal for the heating element as the manipulated variable. In the inactive case, that is, when the water temperature is below the limit, the second two-position controller does not contribute to the control of the heating element, this is done solely from the first controller. The two activation signals are combined to form the heating element, in particular in the sense of an AND connection.

Der Bereich oberhalb dem Grenzwert stellt entweder einen Warmhaltebetrieb oder eine letzte Phase einer Aufheizung von Wasser aus dem Kaltzustand dar. In diesem Fall ist der zweite Zweipunktregler dem ersten Zweipunktregler unterlagert, weshalb in dieser Phase die Temperatur des Heizelements auf einen Sollwert eingeregelt wird. Der Sollwert der Heiztemperatur ist hierbei insbesondere kleiner als diejenige Temperatur des Heizelements, die dieses normalerweise ohne eine solche Regelung durch den zweiten Zweipunktregler erreicht würde. Oberhalb des Sollwertes der Wassertemperatur ist das Heizelement wieder deaktiviert. Dies wird insbesondere durch den überlagerten ersten Zweipunktregler sichergestellt. Gemäß dieser Erfindungsvariante erfolgt also zunächst eine leistungsstarke und schnelle Wassererwärmung bis zum Grenzwert durch ein vergleichsweise heißes Heizelement. In der letzten Aufwärmphase oder Warmhaltephase erfolgt eine Absenkung der Temperatur des Heizelements auf den Sollwert der Heiztemperatur, um das Heizelement zu schonen und die Verkalkung in dieser Phase zu verringern. Dies führt insgesamt zu einem wartungsfreieren Heizgerät.The area above the limit value represents either a holding operation or a last phase of heating water from the cold state. In this case, the second two-position controller is subordinate to the first two-position controller, which is why in this phase, the temperature of the heating element is adjusted to a desired value. The desired value of the heating temperature is in this case in particular smaller than that temperature of the heating element, which would normally be achieved by the second two-position controller without such a control. Above the setpoint of the water temperature, the heating element is deactivated again. This is in particular due to the superimposed first two-position controller ensured. According to this variant of the invention, therefore, first of all a powerful and rapid heating of water takes place up to the limit value by means of a comparatively hot heating element. In the last warm-up or warming phase, the temperature of the heating element is lowered to the setpoint of the heating temperature in order to protect the heating element and to reduce the calcification in this phase. Overall, this leads to a maintenance-free heater.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Grenzwert der Wassertemperatur vorgebbar. Hierdurch kann eine Anpassung erfolgen bzw. ein gewünschter Kompromiss eingestellt werden zwischen dem Effekt, das Wasser schneller aufzuheizen (höherer Grenzwert, spätere Reduzierung der Heiztemperatur, hohe Heizleistung im Wasser) oder das Heizelement mehr zu schonen (niedrigerer Grenzwert, frühere Reduzierung der Heiztemperatur, weniger Heizleistung im Wasser).In a preferred variant of this embodiment, the limit value of the water temperature can be predetermined. As a result, an adjustment can be made or a desired compromise can be set between the effect of heating the water faster (higher limit value, subsequent reduction of the heating temperature, high heating power in the water) or saving the heating element more (lower limit, earlier reduction of the heating temperature, less Heating power in the water).

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Grenzwert der Wassertemperatur abhängig vom Sollwert der Wassertemperatur gewählt. Somit ändert sich bei einer Änderung des Sollwertes der Wassertemperatur auch der Grenzwert, ohne dass dieser gesondert nachgeführt werden müsste. Beispielsweise wird der Grenzwert stets einige Kelvin kleiner als der Sollwert der Wassertemperatur gewählt, z.B. zwischen 3K und 20 K oder 5K bis 15K, insbesondere 10K kleiner gewählt. Beispielsweise kann der Grenzwert auch bei einem festen Prozentsatz des Sollwertes, zum Beispiel zwischen 50% und 95 %, zwischen 60% und 90 % oder zwischen 70% und 85 %, insbesondere 80 % gewählt werden.In a preferred variant of this embodiment, the limit value of the water temperature is selected as a function of the desired value of the water temperature. Thus, when the setpoint of the water temperature changes, the limit value also changes, without this having to be tracked separately. For example, the threshold is always selected a few Kelvin less than the set point of the water temperature, e.g. between 3K and 20K or 5K to 15K, in particular 10K smaller chosen. For example, the threshold may also be selected at a fixed percentage of the setpoint, for example between 50% and 95%, between 60% and 90%, or between 70% and 85%, especially 80%.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Heiztemperatur vorgebbar. So kann insbesondere eine Heiztemperatur gewählt werden, bei der im entsprechenden Betriebsfall noch eine ausreichende Wassererwärmung, jedoch auch eine gewünscht niedrige Verkalkung am Heizelement stattfindet. Auch hier kann so ein gewünschter Kompromiss gewählt werden.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the heating temperature can be predetermined. Thus, in particular, a heating temperature can be selected in which, in the corresponding operating case, there is still sufficient heating of the water, but also a desirably low calcification on the heating element. Here, too, a desired compromise can be chosen.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist der Sollwert der Heiztemperatur abhängig vom Sollwert der Wassertemperatur gewählt. Beispielsweise ist der Sollwert der Heiztemperatur um einige Kelvin größer als der Sollwert der Wassertemperatur gewählt, z.B. um 1K bis 20K oder 3K bis 10K oder 5K bis 7K, insbesondere 6 K. Hierdurch muss bei einer Veränderung des Sollwertes der Wassertemperatur der Sollwert der Heiztemperatur nicht händisch nachgeführt werden, sondern wird automatisch nachgeführt. Auch hier sind entsprechende Prozentverhältnisse ab 100% möglich, beispielsweise ist der Sollwert der Heiztemperatur auf 101% bis 130 %, 105% bis 120 %, insbesondere 110 % des Sollwertes der Wassertemperatur eingestellt.In a preferred variant of this embodiment, the desired value of the heating temperature is selected as a function of the desired value of the water temperature. For example, the set point of the heating temperature is selected to be a few Kelvin greater than the setpoint of the water temperature, e.g. by 1K to 20K or 3K to 10K or 5K to 7K, in particular 6 K. In this case, when a change in the setpoint of the water temperature, the setpoint of the heating temperature does not need to be tracked by hand, but is tracked automatically. Again, corresponding percentage ratios are possible from 100%, for example, the setpoint of the heating temperature is set to 101% to 130%, 105% to 120%, in particular 110% of the setpoint of the water temperature.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Heizgerät einen Füllstandsensor. Das Heizelement ist nur dann aktivierbar, wenn vom Füllstandsensor der Füllzustand sensiert ist. Dies ist ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor, der verhindern soll, dass bei nicht ausreichendem Füllzustand überhaupt das Heizgerät betrieben wird, was zu einer gefährlichen Überhitzung im Heizgerät führen könnte.In a preferred embodiment, the heater includes a level sensor. The heating element can only be activated if the fill level sensor senses the filling state. This is an additional safety factor designed to prevent the heater from operating in the event of insufficient filling, which could result in dangerous overheating in the heater.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement ein elektrisches Widerstands-heizelement. Dieses eignet sich besonders für die oben genannten Einsatzszenarien zum Beispiel in einem Flugzeug, ist einfach und leicht ansteuerbar, insbesondere durch einen Zweipunktregler mit binärem Aktivierungssignal - z.B. über einen Schalter - an einer Spannungsquelle oder Energiequelle anschließbar oder von dieser trennbar, zum Beispiel dem Bordnetz eines Flugzeuges.In a preferred embodiment, the heating element is an electrical resistance heating element. This is particularly suitable for the above-mentioned application scenarios, for example in an aircraft, is simple and easy to control, in particular by a two-position controller with a binary activation signal -. via a switch - connected to a voltage source or energy source or separable from this, for example, the electrical system of an aircraft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizgerät ein Heizgerät für ein Flugzeug. Das erfindungsgemäße Heizgerät eignet sich besonders zum Einsatz in Flugzeugen, da dieses einfach und kostengünstig und in Bezug auf Wartungsanforderungen gegenüber herkömmlichen Heizgeräten mit nicht gesteuerter oder geregelter Heizelementtemperatur verbessert ist.In a preferred embodiment, the heater is a heater for an aircraft. The heater according to the invention is particularly suitable for use in aircraft, as this is simple and inexpensive and improved in terms of maintenance requirements compared to conventional heaters with non-controlled or controlled heating element temperature.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Heizgerätes. Das Verfahren und zumindest ein Teil dessen Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät erläutert. Gemäß dem Verfahren betreibt die Steuerung das Heizelement in Abhängigkeit der Wassertemperatur und in Abhängigkeit der Heiztemperatur. Vor allem aufgrund der Berücksichtigung der Temperatur des Heizelements bei der Steuerung ergeben sich die oben genannten Vorteile.The object of the invention is also achieved by a method according to claim 11 for operating a heater according to the invention. The method and at least a part of its embodiments and the respective advantages have been explained analogously already in connection with the heater according to the invention. According to the method, the controller operates the heating element depending on the water temperature and the heating temperature. Mainly due to the consideration of the temperature of the heating element in the control, the above advantages arise.

Das Heizelement wird nur dann aktiviert, wenn der Istwert der Wassertemperatur kleiner einem Sollwert ist. Dabei wird zusätzlich für den Fall, dass der Istwert der Wassertemperatur größer einem Grenzwert ist, das Heizelement nur dann aktiviert, wenn ein Istwert der Heiztemperatur kleiner einem Sollwert ist. Das entsprechende Verfahren wurde bereits oben im Zusammenhang mit dem Zweipunktregler erläutert, ist jedoch auch für beliebige Regler in entsprechender Art durchführbar. Der Grenzwert für die Wassertemperatur ist kleiner deren Sollwert.The heating element is only activated if the actual value of the water temperature is lower than a setpoint. In this case, in addition, in the event that the actual value of the water temperature is greater than a limit value, the heating element is activated only if an actual value of the heating temperature is less than a desired value. The corresponding method has already been explained above in connection with the two-point controller, but is also feasible for any controller in a corresponding manner. The limit value for the water temperature is lower than the setpoint.

Als Folge ergibt sich eine Temperaturbegrenzung bzw. Absenkung der Temperatur des Heizelements im Warmhaltebetrieb oder der letzten Aufwärmphase, wie oben erläutert. Der Sollwert der Heiztemperatur ist hierbei wieder insbesondere kleiner als diejenige Temperatur, die das Heizelement normalerweise ohne eine solche unterlagerte Steuerung der Heiztemperatur erreichen würde. Unabhängig von der Steuerung der Heiztemperatur erfolgt stets eine Abschaltung bzw. Deaktivierung des Heizelements, wenn der Istwert der Wassertemperatur den Sollwert übersteigt. Für Wassertemperaturen zwischen Grenzwert und Sollwert erfolgt die unterlagerte Steuerung oder Regelung der Heiztemperatur auf deren Sollwert hin bei überlagerter Steuerung der Wassertemperatur auf deren Sollwert hin.As a result, there is a temperature limitation or lowering the temperature of the Heating element in the warming operation or the last warm-up phase, as explained above. The desired value of the heating temperature is in this case in particular smaller than the temperature which would normally reach the heating element without such subordinate control of the heating temperature. Regardless of the control of the heating temperature is always a shutdown or deactivation of the heating element when the actual value of the water temperature exceeds the setpoint. For water temperatures between the limit value and the setpoint value, the lower-level control or regulation of the heating temperature is set to its setpoint value when the water temperature is superimposed on the setpoint.

In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird das Heizelement dadurch aktiviert, dass es ungeregelt an eine Energiequelle angeschlossen wird. Durch Trennen von der Quelle wird es entsprechend deaktiviert. Wie oben erläutert, führt dies zu einem besonders einfachen Regelverfahren, welches auch durch Zweipunktregler realisierbar ist. Die Energiequelle wird binär an das Heizelement angeschlossen oder von diesem getrennt. Ansonsten wird das Heizelement in keinster Weise individuell oder geregelt betrieben, zum Beispiel durch PWM, Vorwiderstände, Stromsteuerung während der Aktivierung usw.In a preferred variant of this embodiment, the heating element is activated by being connected unregulated to a power source. Disconnecting from the source deactivates it accordingly. As explained above, this leads to a particularly simple control method, which can also be realized by two-point controller. The energy source is connected in binary to the heating element or separated from it. Otherwise, the heating element is in no way operated individually or regulated, for example by PWM, series resistors, current control during activation, etc.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das System besonders sicher betrieben, indem das Heizelement immer dann deaktiviert wird, wenn der Füllstandsensor den Füllzustand nicht sensiert oder der Heizsensor eine Temperatur oberhalb eines kritischen Wertes, der bei der bestimmungsgemäßen Wassererwärmung nie auftritt (z.B. 160°C), liefert oder der Wassersensor eine Temperatur liefert, die oberhalb eines kritischen Wertes, der bei der bestimmungsgemäßen Wassererwärmung nie auftritt (z.B. 100°C). So erfolgt eine dreifache Sicherheitsabschaltung des Heizgerätes.In a preferred embodiment of the invention, the system is operated particularly safely by the heating element is always deactivated when the level sensor does not sense the filling or the heating sensor is a temperature above a critical value that never occurs at the intended water heating (eg 160 ° C. ), or the water sensor supplies a temperature which is above a critical value which never occurs during the intended heating of the water (eg 100 ° C.). So there is a triple safety shutdown of the heater.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen, Beobachtungen bzw. Überlegungen und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch bisher nicht erwähnte Ausführungsformen einschließen.The invention is based on the following findings, observations or considerations and still has the following embodiments. The embodiments are also called simplifying the "invention". In this case, the embodiments may also contain or correspond to parts or combinations of the abovementioned embodiments and / or optionally also include previously not mentioned embodiments.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Hauptursache für den Ausfall von Wasserheizern die Überhitzung des Heizelements infolge Kalkablagerung ist.The invention is based on the recognition that the main cause of the failure of water heaters is the overheating of the heating element due to limescale.

Grundidee der Erfindung ist es, diese Kalkablagerungen möglichst zu verhindern oder zu vermindern. Dies soll durch eine Absenkung der Heiztemperatur im Haltebetrieb erfolgen, basierend auf einer Temperaturmessung im Heizelement.The basic idea of the invention is to prevent or reduce these calcium deposits as much as possible. This should be done by lowering the heating temperature in holding mode, based on a temperature measurement in the heating element.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die wesentliche Aufgabe eines Wasserheizers (Heizgerät) die Bereitstellung von warmem Wasser mit einer vorgegebenen Temperatur ist. Beispielhaft gilt folgendes: Die Stellgröße zur Temperaturregelung ist der Strom durch das Heizelement. Die Sollgröße, Wassertemperatur, wird durch einen Eintauchtemperatursensor gemessen. Zur Vermeidung von Überhitzung im Wasserheizer ist ein Füllstandsensor integriert, damit nur dann geheizt wird, wenn der Tank mit Wasser gefüllt ist. Die Vermeidung von Überhitzung des Heizelementes stellt eine sicherheitsrelevante Funktion dar. Deshalb wird aus Redundanzgründen, zusätzlich zum Füllstandsensor, ein Thermoelement (Temperatursensor für Temperatur des Heizelements) in das Heizelement integriert, um die Heizelementtemperatur zu überwachen. Im Fehlerfall (Temperatur > Grenzwert, z.B. 160°C) wird mit dieser zusätzlichen Temperaturinformation der Heizer (Heizelement) ausgeschaltet und ein Überhitzen des Heizelementes verhindert.The invention is based on the recognition that the essential task of a water heater (heater) is the provision of warm water at a predetermined temperature. By way of example, the following applies: The manipulated variable for temperature control is the current through the heating element. The setpoint, water temperature, is measured by an immersion temperature sensor. To prevent overheating in the water heater, a level sensor is integrated so that it is only heated when the tank is filled with water. The avoidance of overheating of the heating element is a safety-relevant function. Therefore, for redundancy reasons, in addition to the level sensor, a thermocouple (temperature sensor for temperature of the heating element) integrated into the heating element to monitor the heating element temperature. In the event of a fault (temperature> limit, for example 160 ° C), the heater (heating element) is switched off with this additional temperature information and overheating of the heating element is prevented.

Die daraus gewonnene Information über die Heizelementtemperatur wird ebenfalls genutzt, um die Wassertemperaturregelung derart zu optimieren, dass eine Reduktion der Verkalkung erzielt wird.The resulting information about the heating element temperature is also used to optimize the water temperature control so that a reduction of the calcification is achieved.

Die Wassertemperaturregelung ist eine Zwei-Punktregelung mit einem unterlagerten, zuschaltbaren Zwei-Punktregler für die Heizelementtemperatur. Die Heizelementtemperaturregelung wird aktiviert, sobald die Regelabweichung der Wassertemperaturregelung einen definierten Schwellwert (Differenz zwischen Grenzwert und Sollwert der Wassertemperatur) unterschreitet. Der Sollwert für die Heizelementtemperatur wird so gewählt, dass die Differenz zur Wassersolltemperatur möglichst klein ist, aber dennoch die gewünschte Heizleistung zur Wassererwärmung zur Verfügung steht.The water temperature control is a two-point control with a subordinate, switchable two-point controller for the heating element temperature. The heating element temperature control is activated as soon as the control deviation of the water temperature control falls below a defined threshold value (difference between limit value and setpoint of the water temperature). The setpoint for the heating element temperature is chosen so that the difference to the desired water temperature is as small as possible, but nevertheless the desired heating power is available for heating water.

Sobald die IST-Temperatur des Wassers den Grenzwert (z.B. mindestens 10° K unter der SOLL-Temperatur des Wassers) überschreitet, wird die Heizelement-temperaturregelung aktiviert und das Heizelement auf einen Temperatur-Sollwert (z.B. 60°C) geregelt. Diese Regelung ist aktiv, solange die Wassertemperatur den Sollwert nicht erreicht hat. Beim Überschreiten des Sollwertes greift der Zwei-Punktregler der in 3 Stufen einstellbaren Wassertemperaturregelung und schaltet ab.When the actual temperature of the water exceeds the threshold (e.g., at least 10 ° K below the SET temperature of the water), the heater temperature control is activated and the heater is controlled to a set temperature value (e.g., 60 ° C). This control is active as long as the water temperature has not reached the set point. When the setpoint is exceeded, the two-point controller uses the water temperature control, which can be set in 3 stages, and switches off.

Beispielweise würde die Heizelementtemperatur ohne die beschriebene Regelung regelmäßig auf über 80°C ansteigen. Durch die Heizelementtemperaturregelung wird die Temperatur des Heizelementes auf ca. 60 °C begrenzt, wodurch das Kalkwachstum im Wasserheizer minimiert wird.For example, without the control described, the heating element temperature would regularly rise above 80 ° C. The temperature of the heater is controlled by the heating element temperature control Heating element limited to about 60 ° C, whereby the lime growth in the water heater is minimized.

Würde ohne die Heizelementtemperaturregelung das Heizelement ca. 85°C heiß, würde es stärker verkalken.If the heating element were about 85 ° C hot without the heating element temperature control, it would become more calcified.

Neben der Minimierung der Verkalkung ist ein weiterer Vorteil eine erhöhte Lebensdauer, da der Regler weniger überschwingt und somit der dauerhafte Stress des Heizelements durch die Temperaturwechsel reduziert wird.In addition to minimizing calcification, a further advantage is an increased service life, since the controller is less overshoot and thus the permanent stress of the heating element is reduced by the temperature changes.

Gemäß der Erfindung ergibt sich damit auch eine Antikalkregelung. Es ergibt sich eine Wassererwärmung mit angepasster Heiztemperatur zur Verringerung von Kalkablagerungen.According to the invention, this also results in an anti-lime control. The result is a water heating with adapted heating temperature to reduce limescale.

Gemäß der Erfindung ergibt sich eine längere Lebensdauer bzw. längere Wartungsintervalle für z.B. eine Entkalkung mit Zitronensäure. Gemäß der Erfindung wird die Verkalkung durch eine Hardwarelösung vermindert.According to the invention, a longer service life or longer maintenance intervals for e.g. a decalcification with citric acid. According to the invention, the calcification is reduced by a hardware solution.

Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:

  • 1 ein Heizgerät in einem Flugzeug,
  • 2 einen Regelkreis für das Heizgerät aus 1,
  • 3 einen Zeitverlauf verschiedener Größen a) in einem Heizgerät ohne zweiten Regler und b) gemäß der Erfindung,
  • 4 die Zeitverläufe der Heiztemperatur der 3a und 3b,
  • 5 die Zeitverläufe des Heizelementstromes der 3a und 3b.
Further features, effects and advantages of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention and the accompanying figures. This shows in a schematic outline sketch:
  • 1 a heater in an airplane,
  • 2 a control circuit for the heater off 1 .
  • 3 a time course of different sizes a) in a heater without a second regulator and b) according to the invention,
  • 4 the time courses of the heating temperature of 3a and 3b .
  • 5 the time courses of the Heizelementstromes the 3a and 3b ,

1 zeigt ein Heizgerät 2 zur Erwärmung von Wasser 4. Das Heizgerät 2 enthält einen Behälter 6 zur Befüllung mit dem Wasser 4. Der Behälter 6 besitzt einen Eingang 8 zur Zuführung von Wasser 4 und einen Ausgang 10 zur Entnahme von erwärmtem Wasser 4, wobei die Flussrichtung für das Wasser 4 durch Pfeile angedeutet ist. 1 zeigt den Behälter 6 in einem bestimmungsgemäßen Füllzustand F, sodass dieser ausreichend mit Wasser 4 für dessen Betrieb befüllt ist. 1 shows a heater 2 for heating water 4 , The heater 2 contains a container 6 for filling with the water 4 , The container 6 has an entrance 8th for supplying water 4 and an exit 10 for removing heated water 4 , where the direction of flow for the water 4 indicated by arrows. 1 shows the container 6 in a proper state of filling F so that this is sufficient with water 4 is filled for its operation.

Das Heizgerät 2 enthält ein Heizelement 12, das im Füllzustand F in direktem Kontakt mit dem Wasser 4 steht, nämlich von diesem umspült ist. Bei Betrieb bzw. Aktivierung des Heizelements 12 wird dieses an seiner Oberfläche heiß und erwärmt so das mit ihm in Kontakt stehende Wasser 4. Das Heizgerät 2 enthält einen ersten Temperatursensor in Form eines sogenannten Wassersensors 14, der zur Ermittlung einer Temperatur, genannt Wassertemperatur TW des Wassers 4 im Füllzustand F dient. Das Heizgerät 2 enthält einen zweiten Temperatursensor in Form eines sogenannten Heizsensors 18. Dieser dient zur Ermittlung einer Temperatur, genannt Heiztemperatur TH des Heizelements 12.The heater 2 contains a heating element 12 in the state of filling F in direct contact with the water 4 is, that is lapped by this. During operation or activation of the heating element 12 If this gets hot on its surface, it heats the water in contact with it 4 , The heater 2 contains a first temperature sensor in the form of a so-called water sensor 14 which determines a temperature, called water temperature TW of the water 4 in the filling state F serves. The heater 2 contains a second temperature sensor in the form of a so-called heating sensor 18 , This serves to determine a temperature, called heating temperature TH of the heating element 12 ,

Das Heizgerät 2 enthält außerdem eine Steuerung 16, die zum Betreiben bzw. Ansteuern des Heizelements 12 im Füllzustand F dient. Die Steuerung 16 steuert das Heizelement 12 abhängig sowohl von der Wassertemperatur TW als auch von der Heiztemperatur TH an bzw. ist dazu geeignet bzw. dazu ausgebildet.The heater 2 also includes a controller 16 used to operate or drive the heating element 12 in the filling state F serves. The control 16 controls the heating element 12 depending on both the water temperature TW as well as the heating temperature TH at or is suitable or trained.

Die Steuerung 16 enthält einen ersten Zweipunktregler 20. Dieser regelt einen Istwert TWI der Wassertemperatur TW auf einen Sollwert TWS der Wassertemperatur TW hin ein. Als Stellgröße weist der erste Zweipunktregler 20 hierzu ein binäres Aktivierungssignal A für das Heizelement 12 auf. Der Sollwert TWS ist vorgebbar und beträgt im vorliegenden Fall 54° C. Alternativ sind auch die Werte 49°C oder 43°C wählbar (drei Wärmestufen).The control 16 contains a first two-position controller 20 , This regulates an actual value TWI the water temperature TW to a setpoint TWS the water temperature TW in. The manipulated variable is the first two-position controller 20 this is a binary activation signal A for the heating element 12 on. The setpoint TWS is specifiable and in the present case 54 ° C. Alternatively, the values 49 ° C or 43 ° C can be selected (three heat levels).

Die Steuerung 60 enthält außerdem einen zweiten Zweipunktregler 22. Dieser regelt einen Istwert THI der Heiztemperatur TH auf einen Sollwert THS hin ein. Der zweite Zweipunktregler 22 ist dabei dem ersten Zweipunktregler 20 jedoch nur für den Fall unterlagert, dass der Istwert TWI der Wassertemperatur TW größer einem Grenzwert G ist. Ansonsten ist der zweite Zweipunktregler 22 inaktiv geschaltet und die Ansteuerung des Heizelements 12 erfolgt alleine über den ersten Zweipunktregler 20.The control 60 also contains a second two-position controller 22 , This regulates an actual value THI the heating temperature TH to a setpoint THS in. The second two-position controller 22 is the first two-position controller 20 However, just in case subordinate that the actual value TWI the water temperature TW greater than a limit G is. Otherwise, the second two-position controller 22 switched inactive and the control of the heating element 12 takes place solely via the first two-position controller 20 ,

Da der zweite Zweipunktregler 22 allenfalls dem ersten Zweipunktregler 20 unterlagert ist, ist der zweite Zweipunktregler 22 nur solange für die Ansteuerung des Heizelements 12 relevant, solange die Istwert TWI kleiner dem Sollwert TWS ist. Den in diesem Fall schaltet der erste Zweipunktregler 20 das Heizelement 12 inaktiv bzw. deaktiviert dieses und „überstimmt“ dabei den zweiten Zweipunktregler 22. Auch der zweite Zweipunktregler 22 weist als Stellgröße ein entsprechendes binäres Aktivierungssignal A auf. Die beiden Stellgrößen von erstem und zweitem Zweipunkregler 20, 22 werden im Sinne einer Und-Verknüpfung zusammengeführt.Because the second two-position controller 22 if necessary, the first two-position controller 20 is subordinate, is the second two-step controller 22 only as long as for the control of the heating element 12 relevant as long as the actual value TWI less than the setpoint TWS is. In this case, the first two-position controller switches 20 the heating element 12 inactive or deactivates this and "overrules" the second two-position controller 22 , Also the second two-position controller 22 has a corresponding binary activation signal as the manipulated variable A on. The two manipulated variables of the first and second two-level controller 20 . 22 are merged in the sense of an AND link.

Der Grenzwert G für die Wassertemperatur TW ist hierbei wieder vorgebbar, hier jedoch abhängig von dem Sollwert TWS gewählt und daher über den Sollwert TWS wählbar. Im Beispiel ist der Grenzwert G 10K kleiner als der Sollwert TWS und beträgt daher 44° C. Der Sollwert THS der Heiztemperatur ist ebenfalls vorgebbar, im Beispiel jedoch ebenfalls abhängig vom Sollwert TWS und zwar 6 K größer als dieser, beträgt also 60° C. Auch hier erfolgt die Vorgabe also durch die Wahl des Sollwertes TWS. Für andere Sollwerte TWS verschieben sich Grenzwert G und Sollwert THS entsprechend.The limit G for the water temperature TW is here again specifiable, but here depending on the setpoint TWS selected and therefore above the setpoint TWS selectable. In the example, the limit is G 10K less than the setpoint TWS and is therefore 44 ° C. The nominal value THS the heating temperature can also be specified, but in the example also dependent on the setpoint TWS namely 6 K larger than this, that is 60 ° C. Again, the default is done by selecting the setpoint TWS , For other setpoints TWS limit will shift G and setpoint THS corresponding.

Als Sicherheitskriterium enthält das Heizgerät 2 einen Füllstandsensor 24, der den Füllzustand F entweder sensiert oder nicht. Im vorliegenden Fall ist genügend Wasser 4 eingefüllt, sodass der Füllzustand F sensiert ist. Eine Sicherheitsschaltung in der Steuerung 16 bewirkt, dass das Heizelement 12 ohnehin nur aktivierbar ist, wenn der Füllzustand F vom Füllstandsensor 24 sensiert ist. Das Heizelement 12 ist ein elektrisches Widerstandsheizelement.As a safety criterion, the heater contains 2 a level sensor 24 that the fill state F either sensed or not. In the present case there is enough water 4 filled so that the filling state F is sensed. A safety circuit in the controller 16 causes the heating element 12 anyway only activated if the filling state F from the level sensor 24 is sensed. The heating element 12 is an electrical resistance heating element.

Das Heizgerät 2 ist ein Heizgerät in einem nicht näher dargestellten Flugzeug 30 und ist im bestimmungsgemäßen Einbauzustand als Bordgerät im Flugzeug eingebaut. Das Heizelement 12 ist über ein Schaltelement 26 an eine Energiequelle 28 angeschlossen, hier das Bordnetz des Flugzeugs 30. Das Schaltelement 26 kennt lediglich zwei Schaltzustände, weshalb das Heizelement 12 entweder mit seiner entsprechend aktuell vollen Leistung an der Energiequelle 28 betrieben wird oder ausgeschaltet ist. Das Schaltelement 26 wird durch das Aktivierungssignal A bedient, das heißt geschlossen oder geöffnet. Das Heizelement 12 ist daher zwar über das Schaltelement 26 gesteuert, jedoch ansonsten ungeregelt bzw. ungedrosselt an der Energiequelle 28 betreibbar oder alternativ ausgeschaltet.The heater 2 is a heater in an aircraft, not shown 30 and is installed in the intended state of installation as on-board unit in the aircraft. The heating element 12 is via a switching element 26 to an energy source 28 connected, here the electrical system of the aircraft 30 , The switching element 26 knows only two switching states, which is why the heating element 12 either with its corresponding currently full power at the power source 28 is operated or switched off. The switching element 26 is through the activation signal A operated, that is closed or opened. The heating element 12 is therefore indeed on the switching element 26 controlled, but otherwise unregulated or unthrottled at the power source 28 operable or alternatively switched off.

2 zeigt symbolisch den sich aus der Anordnung gemäß 1 ergebenden Regelkreis mit dem ersten Zweipunktregler 20 und dem zweiten Zweipunktregler 22. Führungsgröße im Regelkreis ist der Sollwert TWS für die Wassertemperatur TW. Regelgröße ist der Istwert TWI der Wassertemperatur TW. Die Regelabweichung TWS-TWI wird auf den ersten Zweipunktregler 20 geführt, welcher mit Schwellwert 0 von einem Ausgangssignal 0 auf ein Ausgangssignal 1 schaltet. Als dessen Stellgröße ergibt sich somit 0 für TWI größer oder gleich TWS und 1 für TWI kleiner TWS. Für Werte TWI kleiner dem Grenzwert G wird die Stellgröße direkt auf das Schaltelement 26 geführt (Verzweigung 32 in gestrichelter Darstellung). Für Werte TWI größer G (und TWI kleiner TWS) wird die Stellgröße alternativ dem ersten Zweipunktregler 20 zugeführt und hierzu mit dem Sollwert THS multipliziert als Führungsgröße für den zweiten Zweipunktregler 22 benutzt. Regelgröße ist dort der Istwert THI. Die Regelabweichung THS-THI wird auf den zweiten Zweipunktregler 22 geführt, der identisch zum ersten Zweipunktregler 20 ausgeführt ist. Dessen Stellgröße (Null oder Eins) wird dann auf das Schaltelement 26 geführt. Für Werte Eins der Stellgröße wird das Schaltelement 26 geschlossen, für Werte Null geöffnet. 2 symbolically shows the arrangement according to 1 resulting control loop with the first two-step controller 20 and the second two-position controller 22 , Command value in the control loop is the setpoint TWS for the water temperature TW , Controlled variable is the actual value TWI the water temperature TW , The deviation TWS - TWI becomes the first two-position controller 20 led, which with threshold 0 from an output signal 0 on an output signal 1 on. As its control value is thus 0 for TWI greater or equal TWS and 1 for TWI smaller TWS , For values TWI less the limit G the manipulated variable is directly applied to the switching element 26 led (branching 32 in dashed line). For values TWI greater G (and TWI smaller TWS ), the manipulated variable is alternatively the first two-position controller 20 supplied and this with the setpoint THS multiplied as a reference variable for the second two-position controller 22 used. Controlled variable is the actual value there THI , The deviation THS - THI goes to the second two-position controller 22 which is identical to the first two-position controller 20 is executed. Its manipulated variable (zero or one) is then applied to the switching element 26 guided. For values one of the manipulated variable becomes the switching element 26 closed, opened for values zero.

3a zeigt symbolisch über der Zeit t verschiedene Größen bei einem Aufheizvorgang für zunächst kaltes Wasser 4 im Heizgerät 2. Aufgetragen sind der Wassertemperatur Istwert TWI (°C), der Istwert THI der Heiztemperatur (°C) sowie der Strom I im Prozentverhältnis zu einem Nennstrom IN (Dauerbetrieb des Heizelements 12 an der Energiequelle 28: 100%). 3a shows symbolically over time t different sizes during a heating process for initially cold water 4 in the heater 2 , Plotted are the water temperature actual value TWI (° C), the actual value THI the heating temperature (° C) and the current I as a percentage of a rated current IN (Continuous operation of the heating element 12 at the energy source 28 : 100%).

3a zeigt die Verhältnisse in einer vergleichbaren Anordnung gemäß 1 und 2, jedoch ohne Vorhandensein des zweiten Zweipunktreglers 22. Es ist also stets lediglich der erste Zweipunktregler 20 über den vollen Temperaturbereich bis zum Sollwert TWS aktiv. Zu erkennen ist, dass sowohl beim ersten Aufheizvorgang (bis ca. 8s) als auch bei Warmhaltevorgängen (11-13s, 14-17s, 18s-...) die Temperatur des Heizelements immer wieder bis auf ca. 80-85°C ansteigt. 3a shows the conditions in a comparable arrangement according to 1 and 2 but without the presence of the second two-position controller 22 , It is therefore always only the first two-step controller 20 over the full temperature range up to the setpoint TWS active. It can be seen that both during the first heating process (up to approx. 8s) and during holding operations ( 11 - 13s . 14 - 17s . 18s -...) the temperature of the heating element repeatedly rises up to about 80-85 ° C.

3b zeigt die gleichen Zeitverläufe, jedoch für das erfindungsgemäße Heizgerät 2 gemäß 1 und 2. Hier setzt, sobald die Wassertemperatur TW den Grenzwert G übersteigt (4s), die Regelung durch den zweiten Zweipunktregler 22 ein, welcher die Temperatur TH des Heizelements 12 auf 60° C begrenzt. Hierbei wird - in der Figur nicht erkennbar - der Heizelementstrom in vergleichsweiser schneller Taktfolge ein- und ausgeschaltet, was in 3b durch eine mittlere Stromstärke von ca. 50 % angedeutet ist. Beim jeweiligen Überschreiten des Sollwertes TWS durch die Wassertemperatur TW (8s, 12s, 16s) wird über den überlagerten ersten Zweipunktregler 20 jeweils der Strom vollständig abgeschaltet (Deaktivierung des Aktivierungssignals A), dies ist in der Figur durch die Zeitbereiche „A=0“ kenntlich gemacht. 3b shows the same time courses, but for the heater according to the invention 2 according to 1 and 2 , Here, as soon as the water temperature TW the limit G exceeds (4s), the regulation by the second two-position controller 22 one which the temperature TH of the heating element 12 limited to 60 ° C. In this case - not visible in the figure - the heating element current in a comparatively fast clock sequence on and off, which in 3b is indicated by an average current of about 50%. When exceeding the setpoint TWS by the water temperature TW (8s, 12s, 16s) is over the superimposed first two-position controller 20 in each case the power is completely switched off (deactivation of the activation signal A ), this is indicated in the figure by the time ranges "A = 0".

4 zeigt im direkten Vergleich nochmals die Gegenüberstellung der Heizelementtemperatur TH für die Fälle aus den 3a,b. Das Heizelement 12 erfährt deutlich weniger Temperaturschwankungen und wird nicht auf entsprechend hohe Temperaturwerte aufgeheizt. Beides verringert die Kalkablagerung im Heizelement 12 und verlängert dessen Lebensdauer. 4 shows in direct comparison once again the comparison of the heating element temperature TH for the cases from the 3a, b , The heating element 12 experiences significantly less temperature fluctuations and is not heated to correspondingly high temperature values. Both reduce limescale in the heating element 12 and extends its life.

5 zeigt eine vergleichbare Gegenüberstellung der jeweiligen Stromverläufe aus den 3a,b. Hier ist erkennbar, dass die Erfindung zu weniger Schwingungsamplitude des Stromes und damit zu einer weniger starken Belastung des Bordnetzes des Flugzeugs 30 führt. 5 shows a comparable comparison of the respective current waveforms from the 3a, b , Here it can be seen that the invention leads to less oscillation amplitude of the current and thus to a less heavy load on the electrical system of the aircraft 30 leads.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Heizgerätheater
44
Wasserwater
66
Behältercontainer
88th
Eingangentrance
1010
Ausgangoutput
1212
Heizelementheating element
1414
Wasser-SensorWater sensor
1616
Steuerungcontrol
1818
Heiz-SensorHeating sensor
2020
Zweipunkt-Regler (erster)Two-position controller (first)
2222
Zweipunkt-Regler (zweiter)Two-position controller (second)
2424
Füllstandsensorlevel sensor
2626
Schaltelementswitching element
2828
Energiequelleenergy
3030
Flugzeugplane
3232
Verzweigung branch
FF
Füllzustandfilling state
TWTW
Wasser-TemperaturWater temperature
THTH
Heiz-TemperaturHeating temperature
TWITWI
Istwert (Wasser-Temperatur)Actual value (water temperature)
TWSTWS
Sollwert (Wasser-Temperatur)Setpoint (water temperature)
THITHI
Istwert (Heiz-Temperatur)Actual value (heating temperature)
THSTHS
Sollwert (Heiz-Temperatur)Setpoint (heating temperature)
GG
Grenzwertlimit
AA
Aktivierungssignalactivation signal
tt
ZeitTime
II
Stromelectricity
ININ
Nennstromcurrent

Claims (12)

Heizgerät (2) zur Erwärmung von Wasser (4), - mit einem Behälter (6) zur Befüllung mit Wasser (4), und - mit einem Heizelement (12), das in einem Füllzustand (F) des Behälters (6) zumindest bereichsweise in direktem Kontakt mit dem Wasser (4) steht, und - mit einem Wasser-Sensor (14) zur Ermittlung einer Wasser-Temperatur (TW) des Wassers (4) im Füllzustand (F), und - mit einer Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) in Abhängigkeit der vom Wasser-Sensor (14) ermittelten Wasser-Temperatur (TW), dadurch gekennzeichnet, dass - das Heizgerät (2) einen Heiz-Sensor (18) zur Ermittlung einer Heiz-Temperatur (TH) des Heizelements (12) aufweist, und - die Steuerung (16) zum Betreiben des Heizelements (12) im Füllzustand (F) auch in Abhängigkeit der vom Heiz-Sensor (18) ermittelten Heiz-Temperatur (TH) ausgebildet ist, - die Steuerung (16) mindestens einen Zweipunkt-Regler (20,22) enthält, - die Steuerung (16) einen zweiten Zweipunkt-Regler (22) zur Regelung eines Istwertes (THI) der Heiz-Temperatur (TH) auf einen Sollwert (THS) hin enthält, der nur für den Fall, dass ein Istwert (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) größer einem Grenzwert (G) ist, dem ersten Zweipunkt-Regler (20) unterlagert ist und ansonsten inaktiv geschaltet ist, wobei der zweite Zweipunkt-Regler (22) als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal (A) für das Heizelement (12) aufweist.Heater (2) for heating water (4), - with a container (6) for filling with water (4), and - with a heating element (12) in a filling state (F) of the container (6) at least partially is in direct contact with the water (4), and - with a water sensor (14) for determining a water temperature (TW) of the water (4) in the filling state (F), and - with a controller (16) for Operating the heating element (12) in the filling state (F) as a function of the water temperature (TW) determined by the water sensor (14), characterized in that - the heating device (2) a heating sensor (18) for determining a heating -Temperature (TH) of the heating element (12), and - the controller (16) for operating the heating element (12) in the filling state (F) also in dependence of the heating sensor (18) determined heating temperature (TH) formed is, - the controller (16) includes at least one two-step controller (20,22), - the controller (16) has a second two-point controller (22) to R Containing an actual value (THI) of the heating temperature (TH) to a setpoint (THS) out, the only in the event that an actual value (TWI) of the water temperature (TW) is greater than a limit (G), the first two-level controller (20) is subordinate and otherwise inactive, wherein the second two-step controller (22) as a manipulated variable has a binary activation signal (A) for the heating element (12). Heizgerät (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (16) einen Zweipunkt-Regler (20) zur Regelung eines Istwertes (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) auf einen Sollwert (TWS) hin enthält, wobei der Zweipunkt-Regler (20) als Stellgröße ein binäres Aktivierungssignal (A) für das Heizelement (12) aufweist.Heater (2) after Claim 1 , characterized in that the controller (16) contains a two-step controller (20) for controlling an actual value (TWI) of the water temperature (TW) to a target value (TWS) out, the two-step controller (20) as a manipulated variable a binary activation signal (A) for the heating element (12). Heizgerät (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (TWS) der Wasser-Temperatur (TW) vorgebbar ist.Heater (2) after Claim 2 , characterized in that the desired value (TWS) of the water temperature (TW) can be predetermined. Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (G) der Wasser-Temperatur (TW) vorgebbar ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the limit value (G) of the water temperature (TW) can be predetermined. Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (G) der Wasser-Temperatur (TW) abhängig von deren Sollwert (TWS) gewählt ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the limit value (G) of the water temperature (TW) is selected depending on the setpoint value (TWS). Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (THS) der Heiz-Temperatur (TH) vorgebbar ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the desired value (THS) of the heating temperature (TH) can be predetermined. Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (THS) der Heiz-Temperatur (TH) abhängig vom Sollwert (TWS) der Wasser-Temperatur (TW) gewählt ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the desired value (THS) of the heating temperature (TH) is selected as a function of the desired value (TWS) of the water temperature (TW). Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgerät (2) einen Füllstandsensor (24) enthält und das Heizelement (12) nur aktivierbar ist, wenn vom Füllstandsensor (24) der Füllzustand (F) sensiert ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the heater (2) includes a level sensor (24) and the heating element (12) is activated only when the fill level sensor (24) of the filling state (F) is sensed. Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) ein elektrisches Widerstands-Heizelement ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (12) is an electrical resistance heating element. Heizgerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgerät (2) ein Heizgerät (2) für ein Flugzeug (30) ist.Heater (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the Heater (2) is a heater (2) for an aircraft (30). Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (16) das Heizelement (12) in Abhängigkeit der Wasser-Temperatur (TW) und in Abhängigkeit der Heiz-Temperatur (TH) betreibt, und das Heizelement (12) nur dann aktiviert wird, wenn der Istwert (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) kleiner einem Sollwert (TWS) ist, wobei für den Fall, dass der Istwert (TWI) der Wasser-Temperatur (TW) größer einem Grenzwert (G) ist, das Heizelement (12) nur dann aktiviert wird, wenn ein Istwert (THI) der Heiz-Temperatur (TH) kleiner einem Sollwert (THS) ist.Method for operating a heater (2) according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that the controller (16) operates the heating element (12) in dependence on the water temperature (TW) and in dependence on the heating temperature (TH), and the heating element (12) is activated only if the actual value (TWI) of the water temperature (TW) is less than a target value (TWS), and in the case that the actual value (TWI) of the water temperature (TW) is greater than a limit value (G), the heating element (12) only is then activated when an actual value (THI) of the heating temperature (TH) is less than a desired value (THS). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) dadurch aktiviert wird, dass es ungeregelt an eine Energiequelle (28) angeschlossen wird.Method according to Claim 11 , characterized in that the heating element (12) is activated by being connected unregulated to a power source (28).
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