DE10225938C1 - Einrichtung zum Erkennen einer lokalen Übertemperatur - Google Patents
Einrichtung zum Erkennen einer lokalen ÜbertemperaturInfo
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Abstract
Die Einrichtung umfasst einen elektrischen Temperatursensor und eine mit diesem betrieblich gekoppelte Auswerteschaltung. Um insbesondere eine Übertemperatursicherung auf kostengünstige Weise realisieren zu können, die mit einer hohen Messsicherheit an einer räumlich ausgedehnten Oberfläche (14, 42) eine Übertemperatur erkennen kann, ist der elektrische Temperatursensor mit einem Polymerelement (36, 48) gebildet, dessen Material zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich eine nichtlineare Temperatur-Widerstandskennlinie aufweist, und das Polymerelement (36, 48) ist im Wesentlichen fadenförmig oder bandförmig ausgebildet und verteilt über die räumlich ausgedehnte Oberfläche (14, 42) anzuordnen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen einer Übertemperatur an
zumindest einer räumlich ausgedehnten Oberfläche mit einem elektrischen Tem
peratursensor und einer mit diesem betrieblich gekoppelten Auswerteschaltung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Heizgerät mit einer derartigen Einrichtung zum
Erkennen einer Übertemperatur an zumindest einer räumlich ausgedehnten Ober
fläche des Heizgerätes.
Bei räumlich ausgedehnten Oberflächen werden Übertemperatursicherungen bis
her mit Hilfe von Infrarotsensoren bzw. Infrarotkameras und unter Umständen
bildverarbeitenden Systemen oder durch Anordnen einer Vielzahl von punktförmi
gen Temperatursensoren verwirklicht. Ferner ist für eine zuverlässige Tempera
turerkennung im Bereich der Raumtemperatur oftmals eine Kühlung des Infrarot
sensors erforderlich.
Bekannte auf der Basis von Infrarotstrahlung arbeitende bildverarbeitende Syste
me sind jedoch teuer und nur unter bestimmten Bedingungen verwendbar. So
wirkt sich beispielsweise Lichtstrahlung im sichtbaren Wellenbereich nachteilig auf
die Messung mittels Infrarotstrahlung aus.
Das Verwenden einer Vielzahl von Temperatursensoren führt zu einem hohen
Montage- und Verdrahtungsaufwand. Zum einen ist diese Messtechnik daher teu
er, zum anderen ist die Messung auf die Bereiche um die Temperatursensoren
herum begrenzt. Bereiche zwischen den Temperatursensoren werden hingegen
nicht überwacht.
Ein besonderer Anwendungsfall für eine räumlich ausgedehnte Temperaturüber
wachung an einem Körper liegt in der Temperaturüberwachung eines Wärmeü
bertragers eines Heizgeräts für eine Zusatz- oder Standheizung eines Fahrzeugs.
Bei solchen Heizgeräten sind bisher einzelne Temperatursensoren verwendet
worden, die an ausgewählten Punkten des Wärmeübertragers angeordnet worden
sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erkennung einer
Übertemperatur an einer räumlich ausgedehnten Oberfläche, insbesondre an ei
nem Heizgerät zu schaffen, bei der die oben genannten Nachteile vermieden sind.
Vor allem soll die Übertemperatursicherung über die gesamte räumlich ausge
dehnte Oberfläche hinweg zu einer hohen Messsicherheit hinsichtlich einer maxi
mal zulässigen Temperatur führen. Die Übertemperatursicherung soll zugleich
kostengünstig sein.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer oben genannten Einrichtung zum
Erkennen einer Übertemperatur an zumindest einer räumlich ausgedehnten Ober
fläche gelöst, bei der der elektrische Temperatursensor mit einem elektrisch lei
tenden Polymerelement gebildet ist, dessen Material zumindest in einem be
stimmten Temperaturbereich eine nichtlineare Temperatur-Widerstandskennlinie
aufweist, und bei dem das Polymerelement im Wesentlichen fadenförmig oder
bandförmig ausgebildet ist und verteilt über die räumlich ausgedehnte Oberfläche
anzuordnen ist. Die Aufgabe ist ferner mit einem Heizgerät mit einer derartigen
erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erkennen einer Übertemperatur an zumin
dest einer räumlich ausgedehnten Oberfläche des Heizgerätes gelöst.
Erfindungsgemäß wird die räumlich ausgedehnte Oberfläche eines Körpers bzw.
des Heizgerätes mit einem fadenförmigen oder bandförmigen Polymerelement
überwacht. Das Polymerelement kann beispielsweise als Polymerfaser oder als
Polymerstreifen ausgebildet sein. Dabei ist die Breite, Dicke bzw. der Durchmes
ser des Polymerelements im Verhältnis zu seiner Länge verhältnismäßig klein ge
wählt.
Der Gesamtwiderstand R dieses Polymerelements ist das Integral von seinen ört
lich begrenzten spezifischen temperaturabhängigen Teilwiderständen r(T, I) über
die gesamte Länge L:
R = 0∫L r(T, I)dl,
wobei R der Gesamtwiderstand, 0 der Anfang des Polymerelements, L die Ge
samtlänge des Polymerelements, r der Teilwiderstand, T die Temperatur eines
Teilabschnitts des Polymerelements und I die Teillänge bedeutet.
Erfindungsgemäß ist für das Polymerelement ein Material gewählt, das ein nichtli
neares Temperatur-Widerstandsverhalten aufweist. Beispielsweise kann das Ma
terial derart ausgebildet sein, dass mit steigender Temperatur der spezifische Wi
derstand r(T) exponentiell zunimmt:
r(T) = r0 + Aexp(T/s)
wobei r(T) der spezifische Widerstand, r0 der Widerstand bei einer Anfangstempe
ratur, A eine Konstante und s die Sensitivität des Polymerelements bedeutet.
Bei einem solchen faden- oder bandförmigen Polymerelement wirkt sich eine loka
le Überhitzung auf den Gesamtwiderstand R sehr stark aus und dominiert ab einer
gewissen Temperaturdifferenz ΔT über einer Teillänge I den Gesamtwiderstand R
des Polymerelements. Auf dieser Basis kann eine Auswerteschaltung mit Hilfe
einer einfachen Widerstandsmessung das örtlich begrenzte bzw. lokale Über
schreiten einer maximal zulässigen Grenztemperatur erkennen bzw. detektieren.
Die erfindungsgemäße Übertemperatursicherung führt zu einem zuverlässigen
Schutz gegen Überhitzung bei räumlich ausgedehnten erwärmten oder erhitzten
Körpern.
Die erfindungsgemäße Gestaltung ist besonders preiswert und leicht zu montie
ren, da in der Regel nur ein Polymerelement und eine Auswerteschaltung vorzu
sehen sind. Ferner kann das erfindungsgemäße Polymerelement mit einem Man
tel aus einem elektrisch isolierenden Material versehen sein.
Sie ist darüber hinaus gegen Umwelteinflüsse robust, sie weist eine hohe Mess
genauigkeit auf und ist über die Lebensdauer hinweg besonders funktionssicher.
Eine aufwendige Verdrahtung mit einer Vielzahl elektrischer Verbindungsstellen ist
nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Polymerelement kann aus einem elektrisch nicht leitenden
Material gebildet sein, das z. B. durch Einlagern von elektrisch leitenden Partikeln
wie Ruß oder Metallpulver leitfähig gemacht ist. Die Ruß- oder Metallpartikel be
rühren einander. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur dehnt sich die Matrix
des nicht leitenden Materials aus und eine zunehmende Anzahl an Berührungs
stellen zwischen den leitenden Partikeln wird unterbrochen. Dies führt zu einer
Erhöhung des elektrischen Widerstands des Polymerelements. Sobald die Tem
peratur fällt, werden die Berührungsstellen zwischen den Partikeln wieder verbun
den und der elektrische Widerstand des Polymerelements sinkt. Neben diesem
Mechanismus für ein Polymerelement mit einem veränderlichen elektrischen Wi
derstand sind weitere Möglichkeiten bekannt, bei denen ein Polymer beispielswei
se durch chemische Behandlung mit entsprechenden Eigenschaften versehen
wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Polymerelement aus
einem derartigen Material gestaltet, dass der bestimmte Temperaturbereich der
nichtlinearen Temperatur-Widerstandskennlinie nahe bei einer zu überwachenden
Maximaltemperatur der räumlich ausgedehnten Oberfläche liegt.
Ein örtlich begrenzter Temperaturanstieg kurz unterhalb der Maximaltemperatur
führt bei einer derartigen Ausgestaltung zu einer besonders starken lokalen Zu
nahme des Widerstands des Polymerelements. Der angestiegene Widerstand
dominiert den Gesamtwiderstand und führt zu einer genauen Detektierung des
örtlich begrenzten Anstiegs der Temperatur auf den Wert der zu überwachenden
Maximaltemperatur.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Polymerelement aus einem derartigen
Material gestaltet ist, dass bei einer ausgedehnten mittleren Minimaltemperatur
und einer örtlichen zu überwachenden Maximaltemperatur der räumlich ausge
dehnten Oberfläche der Gesamtwiderstand des fadenförmigen oder bandförmigen
Polymerelements einen maximal zulässigen Grenzwiderstandswert erreicht.
Die erfindungsgemäße Übertemperatursicherung spricht ab einem Grenzwider
standwert RMAX an, der sich auf den Gesamtwiderstand R des Polymerelements
bezieht. Der Grenzwiderstandswert RMAX kann entweder durch eine homogene,
verhältnismäßig hohe Temperatur T1 erreicht werden, die verteilt über die gesam
te Länge des Polymerelements vorliegt, oder durch eine geringe verteilte mittlere
Temperatur T2 < T1 und eine lokale Übertemperatur T3 < T2. Die lokale Über
temperatur erstreckt sich über ein Teilstück I der gesamten Länge L des Polymer
elements. Der Gesamtwiderstandswert R ist grundsätzlich beeinflusst durch die
absoluten Werte T1, T2 und T3. Ferner wirken sich die Längenverhältnisse, bei
spielsweise I/L, auf den Gesamtwiderstandswert R aus. Darüber hinaus ist ganz
allgemein die Sensitivität s des Polymerelements zu berücksichtigen. Hinsichtlich
dieser Faktoren ist das Material des erfindungsgemäßen Polymerelements in sei
nem Temperaturverhalten besonders vorteilhaft derart ausgewählt, dass bei der
niedrigsten vorkommenden mittleren Temperaturverteilung über die gesamte Län
ge L das Überschreiten einer örtlich begrenzten Übertemperatur über die Länge I
noch detektiert wird.
Das erfindungsgemäße Polymerelement kann einen runden, halbrunden, recht
eckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist eine ebene
Seitenfläche am Polymerelement vorgesehen, mit der dieses an die räumlich aus
gedehnte Oberfläche angelegt wird bzw. ist. Zwischen der Oberfläche und der
ebenen Seitenfläche wird auf diese Weise eine Verbindung mit hoher Wärmeleit
fähigkeit geschaffen.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Polymerelement an einem e
lektrischen Zuheizer angeordnet und mit dessen Steuereinrichtung bzw. Stellglied
betrieblich gekoppelt sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer Einrichtung
zum Erkennen einer Übertemperatur an zumindest einer räumlich ausgedehnten
Oberfläche anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers ei
nes Heizgerätes mit einer Einrichtung zum Erkennen
einer Übertemperatur, und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen
Zuheizelements eines Zuheizers mit einer Einrichtung
zum Erkennen einer Übertemperatur.
In Fig. 1 ist ein Wärmeübertrager 10 eines weiter nicht veranschaulichten Heizge
räts dargestellt, das insbesondere für eine Fahrzeugzusatzheizung mit einem flüs
sigen Wärmeträger vorgesehen ist. Im Inneren des Wärmeübertragers 10 ist ein
nicht dargestellter Brenner mit einem Flammrohr angeordnet. Das Flammrohr er
streckt sich koaxial zum Wärmeübertrager 10.
Der Wärmeübertrager 10 ist mit einem becherförmigen Außenteil 12 gestaltet, in
das ein ebenfalls becherförmiges Innenteil 14 eingesetzt ist. Zwischen dem Au
ßenteil 12 und dem Innenteil 14 ist ein Zwischenraum gebildet, der sich aus einem
hohlzylinderförmigen Ringspaltabschnitt 16 und einem Bodenabschnitt 18 zu
sammensetzt. Der Bodenabschnitt 18 befindet sich zwischen einem im Wesentli
chen kreisförmigen Boden 20 des Innenteils 14 und einem Boden 22 des Außen
teils 12. An dem vom Boden 20 abgewandten Ende des Innenteils 14 ist an die
sem ein Ring 24 ausgebildet, der vom Innenteil 14 radial nach außen gerichtet
absteht und sich bis zum Außenteil 12 erstreckt. Im Ring 24 ist ein Dichtring 28
angeordnet, an dem das Außenteil 12 anliegt. Zwischen dem Innenteil 14 und
dem Außenteil 12 ist so ein fluiddichter Raum gebildet, zu dem neben dem Ring
spaltabschnitt 16 und dem Bodenabschnitt 18 noch ein Ringraum 26 im Bereich
des Rings 24 gehört.
Am Außenteil 12 ist an dessen Boden 22 ein Wärmeträger-Einlass-Stutzen 30
angeformt, durch den der flüssige Wärmeträger in den genannten fluiddichten
Raum gelangen kann. der Wärmeträger strömt durch einen nicht dargestellten
Wärmeträger-Auslass-Stutzen im Bereich des Rings 24 aus dem Raum aus.
Im Bereich des Rings 24 ist am Innenteil 14 ein Brenngas-Auslass-Stutzen 32 ra
dial nach außen gerichtet ausgebildet. In den Brenngas-Auslass-Stutzen 32 ge
langt das Brenngas aus dem nicht dargestellten Flammrohr durch eine Brenngas-
Auslassöffnung 34. Das Brenngas tritt nachfolgend aus dem Heizgerät aus.
Um auf einfache und kostengünstige Weise an dem Wärmeübertrager 10 eine
Überhitzungssicherung vorzusehen, ist an der zum Ringspaltabschnitt 16 und zum
Bodenabschnitt 18 gewandten ausgedehnten Oberfläche des Innenteils 14 ein
fadenförmiges Polymerelement bzw. ein Polymerfaden 36 angeordnet, dessen
Material in einem Temperaturbereich knapp unterhalb einer maximal zulässigen
Grenztemperatur ein exponentiell ansteigendes Widerstands-Temperatur
verhalten aufweist. Dies bedeutet, dass bei einer Temperaturerhöhung im Bereich
unterhalb der maximal zulässigen Grenztemperatur am Innenteil der Widerstand
des Polymerfadens exponentiell, also nichtlinear zunimmt.
Der Widerstand nimmt auch dann stark zu, wenn die Temperaturerhöhung örtlich
begrenzt am Innenteil 14 vorliegt. Beispielsweise kann allein am Boden 20 des
Innenteils 14 eine überhöhte Temperatur auftreten. Die lokal begrenzte aber
zugleich besonders starke Erhöhung des Widerstandswerts des Polymerfadens
36 dominiert den Gesamtwiderstand des Polymerfadens 36. Die Erhöhung kann
daher mit einer Auswerteschaltung ermittelt werden.
Als Auswerteschaltung ist eine erste und eine zweite elektrische Leitung 38a und
38b sowie eine mit diesen Leitungen elektrisch gekoppelte elektrische Schaltung
40 vorgesehen. Die Schaltung 40 dient zum Ermitteln des Gesamtwiderstandes
des Polymerfadens 36.
Um den Polymerfaden 36, der im Inneren des Außenteils 12 am Innenteil 14 an
geordnet ist, auf einfache Weise mit den Leitungen 38a und 38b kontaktieren zu
können und zugleich einen großen Oberflächenbereich des Innenteils mit Hilfe
des Polymerfadens 36 überwachen zu können, ist der Polymerfaden 36 ausge
hend von einem Fadenende 36a am Ring 24 in axialer Richtung über einen ersten
Abschnitt der zylindrischen Becherwand des Innenteils 14, dann im Wesentlichen
quer über den Boden 20 und in entgegengesetzter Axialrichtung über einen zwei
ten gegenüberliegenden Abschnitt der Becherwand des Innenteils 14 geführt. Dort
ist der Polymerfaden 36 im Bereich des Rings 24 in einen weiter nicht veran
schaulichten Bogen gelegt und nachfolgend über den zweiten Abschnitt der Be
cherwand, quer über den Boden 20 sowie wiederum über den ersten Abschnitt
der Becherwand zurück zum Fadenende 36a geführt. Die hin- und zurückgeführ
ten Teile des Polymerfadens 36 erstrecken sich dabei im Wesentlichen parallel
zueinander.
Aufgrund der gewählten Anordnung des Polymerfadens 36 endet der zurückge
führte Teil des Polymerfadens 36 an einem Fadenende 36b in der Nähe des Fa
denendes 36a. Die beiden nebeneinander angeordneten Fadenenden 36a und
36b können auf einfache Weise mit den Leitungen 38a und 38b nebeneinander
liegend kontaktiert werden. Gegenüber einer den Polymerfaden 36 umgebenden
und elektrischen Strom leitenden Flüssigkeit oder Oberfläche kann der Polymer
faden 36 gegebenenfalls mit einer isolierenden Beschichtung ausgebildet sein.
Der Polymerfaden 36 ist mit einem nicht dargestellten Wärmeleitkleber auf der
Oberfläche des Innenteils 14 aufgeklebt. Er ist in seinem nicht näher veranschau
lichten Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet, wobei die ebene
Seite des Halbkreises der Oberfläche des Innenteils 14 zugewandt ist. Auf diese
Weise ist zwischen dem Polymerfaden 36 und dem Innenteil 14 eine besonders
gut wärmeleitende Verbindung geschaffen.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Zuheizelements 42 veran
schaulicht, das als Strangpressprofil aus Aluminium gestaltet ist. In dem Strang
pressprofil sind nicht veranschaulichte elektrische Heizstäbe angeordnet, um
Wärme zu erzeugen. Die elektrischen Heizstäbe sind an eine Stromversorgung
angeschlossen, deren Leistungsabgabe mit Hilfe einer nicht veranschaulichten
Steuereinrichtung geregelt wird.
Das elektrische Zuheizelement 42 ist im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig,
wobei an zwei voneinander abgewandten Seitenflächen des Zuheizelements 42
jeweils eine Längsnut 44 und 46 ausgebildet ist. Die Längsnuten 44 und 46 sind
jeweils mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt gestaltet. In den
Längsnuten 44 und 46 ist mit Wärmeleitkleber ein Polymerfaden 48 eingeklebt.
Durch den Wärmeleitkleber ist eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem
Zuheizelement 42 und dem Polymerfaden 48 geschaffen.
Der Polymerfaden 48 verläuft ausgehend von einer Stirnseite des Strangpresspro
fils entlang der einen Seitenfläche in der Längsnut 44 und ist weiter um die andere
Stirnfläche und entlang der abgewandten Seitenfläche durch die Längsnut 46 zur
ersten Stirnseite zurückgeführt.
Aufgrund dieser Art des Verlegens des Polymerfadens 48 in den Längsnuten 44
und 46 weist der Polymerfaden 48 eine verhältnismäßig große Länge auf. Wegen
der beidseitigen Verlegung des Polymerfadens 48 ist ferner eine redundante
Temperaturerfassung an beiden Seitenflächen des Strangpressprofils geschaffen.
Der Polymerfaden 48 ist zur Auswertung des durch ihn ermittelten Temperatursig
nals mit der oben genannten nicht dargestellten Steuereinrichtung betrieblich ge
koppelt.
10
Wärmeübertrager
12
Außenteil
14
Innenteil
16
Ringspaltabschnitt des Zwischenraums
18
Bodenabschnitt des Zwischenraums
20
Boden des Innenteils
22
Boden des Außenteils
24
Ring
26
Ringraum
28
Dichtring
30
Wärmeträger-Einlass-Stutzen
32
Brenngas-Auslass-Stutzen
34
Brenngas-Auslassöffnung
36
Polymerfaden
36
a erstes Fadenende
36
b zweites Fadenende
38
a erste Leitung
38
b zweite Leitung
40
elektrische Schaltung
42
elektrisches Zuheizelement
44
Längsnut
46
Längsnut
48
Polymerfaden
Claims (5)
1. Einrichtung zum Erkennen einer Übertemperatur an zumindest einer räum
lich ausgedehnten Oberfläche (14, 42) mit einem elektrischen Temperatursensor
und einer mit diesem betrieblich gekoppelten Auswerteschaltung,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Temperatursensor mit einem Polymerelement (36, 48) gebildet ist, dessen Material zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich eine nichtlineare Temperatur-Widerstandskennlinie aufweist, und
das Polymerelement (36, 48) im Wesentlichen fadenförmig oder bandförmig ausgebildet ist und verteilt über die räumlich ausgedehnte Oberfläche (14, 42) anzuordnen ist.
der elektrische Temperatursensor mit einem Polymerelement (36, 48) gebildet ist, dessen Material zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich eine nichtlineare Temperatur-Widerstandskennlinie aufweist, und
das Polymerelement (36, 48) im Wesentlichen fadenförmig oder bandförmig ausgebildet ist und verteilt über die räumlich ausgedehnte Oberfläche (14, 42) anzuordnen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement (36, 48) aus einem derartigen
Material gestaltet ist, dass der bestimmte Temperaturbereich der nichtlinearen
Temperatur-Widerstandskennlinie nahe bei einer zu überwachenden Maximal
temperatur der räumlich ausgedehnten Oberfläche (14, 42) liegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement (36, 48) aus einem derartigen
Material gestaltet ist, dass bei einer ausgedehnten mittleren Minimaltemperatur
und einer örtlichen zu überwachenden Maximaltemperatur der räumlich ausge
dehnten Oberfläche (14, 42) der Gesamtwiderstand des fadenförmigen oder
bandförmigen Polymerelements (36, 48) einen maximal zulässigen Grenzwider
standswert erreicht.
4. Heizgerät mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Er
kennen einer Übertemperatur an zumindest einer räumlich ausgedehnten Ober
fläche (14, 42) des Heizgerätes.
5. Heizgerät nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerelement an einem elektrischen Zu
heizelement (42) angeordnet und mit einer Steuereinrichtung des elektrischen
Zuheizelements (42) betrieblich gekoppelt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002125938 DE10225938C1 (de) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | Einrichtung zum Erkennen einer lokalen Übertemperatur |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
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DE (1) | DE10225938C1 (de) |
Cited By (2)
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DE102015009715A1 (de) | 2015-07-31 | 2017-02-02 | Silas Mehmet Aslan | Länglich ausgedehnte Überwachungsvorrichtung zum Erkennen von Übertemperaturen |
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2002
- 2002-06-11 DE DE2002125938 patent/DE10225938C1/de not_active Expired - Fee Related
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