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Automatisch arbeitendes Gerät zur Erhitzung von Wasser Bei
Geräten zur Erhitzung von Wasser bis zum Kochpunkt erfolgt einerseits eine Messung
der Wassertemperatur, andererseits mus auf geeignete Waise der Kochpunkt
er-
mittelt werden. Bei bekannten Geräten (Thermofiz) wer-den hierfür
Bimetalle verwendet. Nachteilig bei Verwendung von Bimetallen ist deren große-thermiache
Zeitkonatante,'eine relativ große erforderliche Montagsfläche und die schwer vermeidbare
Rückwirkung .der Waesertempbratur auf den Bimetall für die Kochpunkterfassung.
In
der Figur 1 ist in schematischer Form der prin-zipielle Aufbau eines bekannten
Gerätes dargestellt. Mit 1 ist ein Wasserbehälter bezeichnet, mit 2 ein Abdampfrohr
und-mit '3 ein Wasser-Ein- und Ablaufrohr. Zur Ermittlung des Kochpunktes wird das
Abdampfrohr 2 herangezogen, welchen mit dem Boden 4 des Wassergefäßes.1 fest verlötet
ist. Im oder &uf dem Boden 4 sind nicht weiter dargestellte Heizstäbe angeordnet,
welche das im Behälter 1 befindliche Wasser aufheizen. Über die metallische
Verbindung von Boden 4 und Abdampfrohr 2 wird aber auch das Abdampfrohr
von dieser Wärmequelle äufgeheist. Die Wärmemenge, die auf diesem Wege das MeBglied
für den Kochpunkt erreicht, wird als "'Querwärme" bezeichnet-. Für eine definierte
Ermittlung den Kochpunkten sollte die Querwärme alao möglichst klein se:x.. Um dle
dsr bekannten Ausführung in dieser Hinsicht anhaftenden großen Nachteile auszugleichen,
wer-den Abdampfrehr 2 und Wasser-Ein- und Ablaufrohr 3 unterhalb
der Bodenplatte 4 durch eine massive kupferne Wärmebrücke 5 miteinander verbunden.
Auf dieser Brücke 5 ist ein Bimetall 6 zur Ermittlung den Kochpunkten angeordnet#
der dadurch auf eine Temperatur gebracht wird, die etwa der geometrischen Zagen
entsprechend zwischen den Temperaturwerten der beiden Rohre liegt.
Diese
Ausbildung hat folgende Wirkung: Ist das im Gefäß 1 befindliche Wasser zum Kochen
gebracht, so strömt Dampf durch das Abdampfrohr 2, und die Dampftemperatur erwärmt
den Bimetall 6. Seine Zage auf der Wärmebrücke 5 ist so justiert, daß das Einwirkender
"Querwärme" gerade noch nicht zum Ansprechen führt. Wird nach dem Ablassen des heißen
Wassere durch das Rohr 3 wieder kaltes Wasser über dieses Rohr 3. in den Behälter
1 eingelassen, dann soll der Bimetall mittels der Wärmebrücke 5 über das durch den
Kaltwasserstrom gekühlte Einlaufrohr 3 abgekühlt werden, um eine möglichst schnelle
Wiedereinschaltbereitschaft des Gerätes zu erzielen. Ohne die Wärmebrücke 5 ist
eine Einschaltung des.Gerätes erst zu einem viel späteren Zeitpunkt möglich. Um
einen einheitlichen Meßpunkt zur Ermittlung des Kochpunktes von Gerät zu Gerät zu
erhalten, muß der Bimetall 6 genau justiert werden. Zur Messung der Wassertemperatur
ist an der Bodenplatte 4 ein weiterer Bimetall 7 angeordnet.
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Das beschriebene Gerät hat keine Koehpunktahschaltung. Die
elektrische Schaltung dieses Geräten zeigt Figur 2. Die Heizwendel 11 ist
in leihe mit einen Bimetall 7
für die Temperaturaeseung und einem Binetall
6 für die Ermittlung den Kochpunktes an die Netzspannung ge-
schaltet.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich, ist der Bimetall 7 für die Temperaturmessung am
Boden 4 des Gerätes angeordnet. Er stellt beim Erreichen der gewünschten Wassertemperatur
einen von Hand einschaltbaren, bistabilen Sprungkontakt wieder in die Ausgangslage
(Stromkreis unterbrochen) zurück. Wie weiter aus der Figur 1 ersichtlich, ist der
Bimetall zur Ermittlung des Kochpunktes (6) prtlich vom Bimetall zur Messung der
Temperatur (7) getrennt. Diese Ausbildung macht es schwierig, durch Ansprechen des
Bimetalles 6 (Wasser siedet), den Netzkontakt an Bimetall 7 in die Ausgangslage
zurückzustellen. Man hat sich bei dem bekannten Gerät deshalb so beholfen, daß bei
Ansprechen des Bimetalles 6 eine parallel zu diesem liegende Induktivität 8 mit
hohem Wechselstromwiderstand in Reihe zur Heizwendel 11 gelegt wird. Die Heizleistung
des Gerätes sinkt damit stark ab.
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Die Zeit zur Ermittlung des Kochpunktes ist bei dem bekannten Gerät
undefiniert. Der Grund dafür liegt darin, daß je nach Füllung des Behälters 1 der
Einfluß der Querwärme unterschiedlich ist. Hat das bekannte Gerät nur eine geringe
Füllung (etwa 1/2 1), dann kocht das Wasser unter starker Dampfabgabe durch das
Abdampfrohr 2 etwa eine Minute, ehe Bimetall 6 anspricht (große Zeitkonstante
von Bimetall und Wärmebrücke). Ist der Behälter 1 andererseits voll gefüllt, so
führt der ßinfluß
der Querwärme dazu, daß lange vor Erreichen des
Kochpunktes der Bimetall 6 durch den Einfluß der Querwärme öffnet, wodurch die Heizung
so lange unterbrochen wird, bis sich der Bimetall 6 wieder abgekühlt hat. Schließt
dieser Bimetall 6 dann wieder, so erfolgt eine neuerliche Beheizung, die dann wieder
vor-Erreichung des Kochpunktes eine Öffnung des Bimetalls 6 ergibt und so fort.
Erst nach mehrmaliger derartiger Ein- und Ausschaltung des Bimetalls 6 wird der
Kochpunkt dann erreicht. Um den vollen Inhalt des Behälters 1 zum Kochen zu bringen,
wird so eine sehr viel längere Zeit benötigt, als bei der installierten Heizleistung
zu erwarten wäre. Es ist weiter ein automatisches Kochendwasser-Gerät bekannt, bei
welchem der Bimetall für die Messung der Wassertemperatur mit einer Heizwicklung
versehen ist (9 in Figur 3). Der Bimetall 7 selbst betätigt auch hier einen von
Hand einschaltbaren, bistabilen Sprungkontakt, der in Reihe mit dem Heizungssystem
des Gerätes an der Netzspannung liegt. Der Bimetall 6 für die Ermittlung des Kochpunktes
schließt bei Erwärmung und liegt-in Reihe mit der Heizwicklung 9 ebenfalls an Netzspannung.
Bei Dampfaustritt wird nun durch Schließen des Bimetalls 6 der Bimetall 7 über die
zusätzliche Heizwicklung so stark erwärmt, daß er anspricht und den bistabilen
Sprungkontakt
in die Ausgangslage zurücklegt (Gerät abgeschaltet).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nachteiligen Ausbildungen
mit Wärmebrücke bzw. speziellem Bimetall zu vermeiden. Es soll eine kleine thermische
Zeitkonstante erreicht werden. Der Einfluß der "Querwärme auf die Kochpunkterfassung
soll vernachlässigbar sein und es soll sofortige Widereinschaltbereitschaft nach
der Kochpunktabschaltung bestehen.
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Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein automatisch arbeitendes
Gerät zur Erhitzung von Wasser unter Messung der Wassertemperatur und Ermittlung
des Kochpunktes. Die Erfindung besteht darin, daß zur Ermittlung des Kochpunktes
und zur Abschaltung des Gerätes ein temperaturabhängiges Halbleiterbauelement nur
vom Dampfstrom beeinflußt wird und dieses seinerseits einen elektronischen Schalter
beeinflußt.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen Figur 4 den elektronischen Schalter für die Kochpunktabschaltung,
Figur
5 die konstruktive Anordnung des temperaturabhängigen Halbleiterbauelementes, Figur
6 eine weitere mögliche konstruktive Anordnung des temperaturabhängigen Halbleiterbauelementes.
In Figur 4 stellt der stark ausgezogene Teil den Heizkreis dar, welcher über die
Klemmen 10, 12 an der Netzspannung liegt. Mit 11 ist die Heizwendel des Gerätes
bezeichnet, welche das Wasser aufheizt. In Reihe zur Heizwendel 11 liegt ein Betätigungsschalter
14. Dieser Schalter ist ein Sprungkontakt, und er hat zwei stabile Zagen. Zum Einschalten
des Gerätes wird der Schalter 14 von Hand betätigt. Der Schalter 14 nimmt dadurch
seine geschlossene Stellung ein und durch die Einschaltung der Heizwendel 11 wird
das Wasser des Gerätes aufgeheizt. Zur Herabsetzung der Betriebsspannung und Festlegung
des Arbeitspunktes des Halbleiterbauelementes ist parallel zu den Klemmen 1o, 12
ein aus drei Widerständen 15, 16 und 17 bestehender Spannungsteiler angeordnet.
Zwischen die Klemme 1o und den Verbindungspunkt 18 von Widerstand 15 und 16 ist
eine Reihenschaltung einer Relaisspule 19 und eines steuerbaren Halbleiterelementes
(z.B. Thyristor) 2o geschaltet. Ferner ist zwischen der Klemme 1o und dem Verbindungspunkt
21
der Widerstände 16 und 17 eine Reihenschaltung von zwei temperaturabhängigen
Halbleiterelementen 22, 23 mit Positivem und negativem Temperaturbeiwert
angeordnet (PTC, NTC). Das Halbleiterelement 22 dient zur Ermittlung des Kochpunktes
und das Halbleiterelement 23 dient zur Messung der Wassertemperatur. Der Verbindungspunkt
24 der beiden Halbleiterelemente 22, 23 ist an die Steuerelektrode des steuerbaren
Halbleiterelementes 2o geführt.
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Der in der Ausgangsstellung des Gerätes von Hand eingelegte Schalter
14 bleibt so lange geschlossen, bis durch Widerstandsänderung eines der beiden Meßglieder
22, 23 an Punkt 24 ein Spannungswert erreicht wird, welcher die Zündung des steuerbaren
Halbleiterelementes 2o bewirkt. Das steuerbare Halbleiterelement 2o wird zünden,
wenn dessen Steuerelektrodenpotential um einen bestimmten Betrag über sein Kathodenpotential
angehoben ist. Solange das steuerbare Halbleiterelement 2o gesperrt ist, fließt
über den Widerstand 15 ein Strom. Durch den dadurch am Widerstand 16 auftretenden
Spannungsabfall liegt das Kathodenpotential des steuerbaren Halbleiterelementes
2o über dem Steuerelektrodenpotential. Der Widerstand 16 ist verstellbar ausgebildet,
so daß die verschiedensten Schwellwerte für die Zündung des
steuerbaren
Halbleiterelementes 2o einstellbar sind (gewünschte Wassertemperatur).
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In der Ausgangsstellung des Gerätes (beispielsweise Zimmertemperatur
von 2ooC ) ist das Halbleiterelement 22 sehr niederohmig und das Halbleiterelement
23 hochohmig. Der Punkt 24 liegt damit praktisch auf dem Potential des Punktes 21
und das Potential der Steuerelektrode des steuerbaren Halbleiterelementes 2o liegt
unter dem Kathodenpotential. Wird das im Gerät befindliche Wasser aufgeheizt und
zum Kochen gebracht, so wird 22 durch Dampfentwicklung auf ca. 1oooC erwärmt. Das
Halbleiterelement 22 (PTC) durchläuft dabei den steilen Teil seiner Kennlinie und
wird plötzlich sehr hochohmig. Soll nur heißes Wasser erzeugt werden und wird dabei
die am Widerstand 16 eingestellte Wassertemperatur erreicht, so wird das Halbleiterelement
23 (NTC) niederohmiger. In beiden Fällen wird das Steuerelektrodenpotential des
steuerbaren Halbleiterelementes 2o über das Kathodenpotential angehoben. Das steuerbare
Halbleiterelement 2o spricht in jedem der beiden Fälle an. Das in Reihe geschaltete
Relais 19 wird erregt und legt den Sprungkontakt-Schalter 14 in seine andere stabile
Stellung
(offen). Damit ist die Heizwendel 11 und-die gesamte Steuerelektronik
von der an den Klemmen 1o, 12 liegenden Netzspannung abgeschaltet. Wie bereits oben
ausgeführt, ist das Halbleiterelement 2o zweckmäßig ein steuerbarer Halbleitergleichrichter,
wodurch sich beispielsweise gegenüber einem Transistor der Vorteil ergibt, daß das
Relais 19 nicht schleichend, sondern plötzlich anspricht. Die gleiche Funktion kann
auch durch eine beliebige andere Halbleiterschaltung, welche Triggereigenschaften
besitzt, realisiert werden. Die Schaltungsdimensionierung erfolgt derart, daß mit
dem veränderbaren Widerstand 16 Wassertemperaturwerte zwischen den Grenzen tute
2ooC und t0 ---1 11ooC vorgegeben werden können. Bei Vorgabe von to kann
dann-die Schaltung nicht auf das Halbleiterelement 23 ansprechen, da die hierfür
benötigte Temperatur (über 1oooG ) nicht erreicht wird. (Das im Behälter vorhandene
Wasser kann nicht wärmer als ca. 1oooC werden.) Das steuerbare Halbleiterelement
2o wird also erst zünden, wenn das Halbleiterelement 22 durch auftretenden Dampf
erwärmt wird. Sind am Widerstand 16 Temperaturen unter loooC eingestellt, dann spricht
die Schaltung allein auf das Halbleiterelement 23 an. Wird dieses Element aus irgendeinem
Grunde fehlerhaft, so besteht trotzdem eine äieherung
des Gerätes
durch das Halbleiterelement 22, da bei Nichtansprechen des Halbleiterelementes 23
eine Dampfentwicklung auftritt, wodurch dann das Halbleiterelement 22 wirksam wird.
Wie bereits vorstehend erwähnt, hat das Relais 19 in Kombination mit dem Sprungkontaktschalter
bistabiles Verhalten. Der dem Relais 19 zugeordnete Sprungkontaktschalter 14 schaltet
auch die Steuerelektronik vom Netz ab. Soll das Gerät nach Erreichen der gewünschten
Wassertemperatur nicht abgeschaltet, sondern soll vielmehr der Wasserinhalt über
beliebig lange Zeit auf dem vorgewählten Temperaturwert gehalten werden, so werden
Netzschalter 14 und Relais 19 zwei voneinander unabhängige Einheiten. Dabei ist
der Netzschalter ausschließlich für Handbetätigung vorgesehen, und das Relais 19
ist jeglichem Eingriff von Hand entzogen. Relais 19 gleicht bei dieser Ausführung
einem handelsüblichen Leistungsschütz. Die Figur 5 zeigt die erfindungsgemäße konstruktive
Ausbildung. Dargestellt ist wieder der Behälter 1 mit seinem Boden
4,
das Abdampfrohr 2 und das Wasser-Ein- und Ablaufrohr 3.
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Gemäß der Erfindung ist das Abdampfrohr 2 unterbrochen und es ist
ein schlecht wärmeleitendes Teil 13 in das Rohr 2 eingesetzt. Das Teil 13 kann aus
einem geeigneten Kunststoff (beispielsweise Nylon) bestehen. Das Teil hat eine Längsbohrung
25, in welcher ein temperaturabhängiges Halbleiterelement mit positivem Temperaturbeiwert
22 (Figur 4) angeordnet ist. Die Abmessungen dieses Halbleiterbauelementes 22 sind
so klein, daß der Querschnitt des Dampfrohres 2 nur unwesentlich verringert wird.
Die Verengung kann auch ganz behoben werden, wenn der Durchmesser der Längsbohrung
25 entsprechend groß gewählt wird. Das Halbleiterelement 22 liegt also unmittelbar
im Dampfstrom. Das Halbleiterelement 23 für die Messung der Wassertemperatur ist
direkt auf dem Gefäßboden 4 angeordnet. Das Halbleiterelement 23 (Figur 5) kann
gegebenenfalls auch innerhalb des Behälters 1 angeordnet werden.
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Die Figur 6 zeigt eine weitere'Möglichkeit der konstruktiven Anordnung-des
Halbleiterelementes 22. Es wird von einer Kupferfahne 27 Gebrauch gemacht, die das
Halbleiterelement 22 trägt. Diese Kupferfahne 27 ragt durch einen wärmeisolierenden
Schlitz 28 im Abdampfrohr 2 in das Innere desselben. Die Zeitkonstante des sich
aus
der Kupferfahne 27 und Halbleiterelement 22 ergebenden Bauelementes ist etwas größer
als die Ausbildung 13, 22 nach der Figur 6. Anstelle des in Figur 5 angedeuteten
Halbleiterelementes 23 kann auch der Bimetall 7 nach der Figur 1 weiter verwendet
werden. In der Schaltung nach der r'igur 4 tritt damit anstelle des Halbleiterelementes
23 der Bimetallkontakt 7. Bei der Verwendung eines Bimetalles 7 ergibt sich gegenüber
der bekannten Ausbildung der Vorteil, daß der Sprungkontakt des Bimetalles 7 sehr
viel kleiner bemessen werden könnte als bisher, da der Sprungkontakt des Bimetalles
7 bei der erfindungsgemäßen Schaltung nun nicht mehr die Heizleistung schaltet,
wie dies beim bekannten Gerät der Fall ist (Figur 3), sondern nur noch die geringe
Steuerleistung für das steuerbare Halbleiterelement 2o. Der Bimetallkontakt braucht
außerdem in der neuen Anwendung kein Sprungverhalten aufzuweisen, sondern kann auch
schleichend arbeiten, da bei der erfindungsgemäßen Ausbildung das Sprungverhalten
durch das steuerbare Halbleiterelement 2o (z.B. Thyristor) erreicht wird. -