DE2002405A1

DE2002405A1 - Waermefuehlender Regelkreis

Info

Publication number: DE2002405A1
Application number: DE19702002405
Authority: DE
Inventors: Masaaki Kubo; Akisada Naoi
Original assignee: Hitachi Heating Appliances Co Ltd
Current assignee: Hitachi Heating Appliances Co Ltd
Priority date: 1969-03-07
Filing date: 1970-01-20
Publication date: 1970-09-10
Also published as: JPS4949584B1; US3586831A; GB1257689A; FR2033742A5

Description

81-15.315P (15.316η) -.20»Ί.ΐ97ϋ

HITACHI HEATING APPLIANCES; CQ., LTD.

12j Shibanishikubo-Afcefunecho, Minato-ku "■ ' ^: ■ ^: ■ ■ ι

T ο k i ο (Japan)

Wärmefühlender Regelkreis

Die Erfindung betrifft einen, wärmefühl enden Regelkreis, der einen Wärmefühler in Form einer Polyamid-Verbindung (Polyamid plus Oberflachenaktivierungsmittel) zwischen zwei elektrischen Leitern und eine Regeleinrichtung zur Regelung des Laststroms durch Änderung oder Unterbre- A

chung des Leitungswinkels aufweist*

In einem üblichen bekannten warmefühlenden Regelkreis sind zwei elektrische Leiter, d* h_e ein elektrischer Heizdraht und ein Fühl draht-_r in einem' Abstand voneinander angeordnet, und ein organisches makromolekulares Material mit negativem Temperaturkoeffizienten befindet sich, als wärme fühl end es Material zwischen den Leitern, so daß das elektrische Verhalten zwischen den Leitern sich bei einem Temperäturaiistieg .ändert, um die Regeleinrich- _%

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tung 'zn betätigen« In Einrichtungen, die einen derartigen wärmefühlenden Hegelkreis verwenden, kann jede örtliche anormale Überhitzung des elektrischen Heizdrahts sofort erfaßt werden. Daher werden diese Einrichtungen für Haushaltsheizgeräte benutzt, insbesondere für elektrische Heizkissen, elektrische Teppiche, elektrische Vorhänge usw.

Als organisches makromolekulares Material werden Polyvinylchlorid, Zelluloseester, Polyamid und ein Polymer von Acrylsäureester und Acrylonitril verwendet., Die Regeleinrichtung wird durch einen Gleichstrom- oder Wechselstroiijwiderstand betätigt, nämlich die kapazitive Reaktanz oder die Impedanz derartiger Materialien, die sich mit der Temperatur ändert, und sie besteht in der Hauptsache aus Transistorverstärkerschaltun =en. Der Hauptregelfaktor dieser Materialien ist jedoch praktisch ihre Widerstandsänderung. Für eine übliche Regelung innerhalb eines niedrigen Temperaturbereichs wie in der Nähe von f>0 C ist eine Verstärkung durch Transistoren usw. notwendig, da ein hoher Widerstandswert erfaßt wird. Dadurch wird die Regeleinrichtung ziemlich aufwendig,, Ferner wird der Widerstand der wärmefühlenden Schicht oft durch feuchtigkeit beeinträchtigt, d. h. die Regeleinrichtung arbeitet unterschiedlich, je nachdem, ob die Atmosphäre feucht oder trocken ist.

Um diese Nachteile zu überwinden, werden die Schwankungen von ."iderstand- und kapazitiver Reaktanz in einem Wärmeregelfaktor der Materialien kombiniert. Dadurch wird die Abhängigkeit von der Feuchtigkeit verringert und ein einfacher und stabiler Betrieb der Regeleinrichtung gewährleistet.

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Die Erfindung benutzt eine Verbindung eines schwachhygroskopischen Polyamidharzes und eines Oberflächenakti— vierungsmittels'als wärmefühlendes Material für den .wärniefühlenden Regelkreis. Durch Kombination eines derartigen Wärme fühl er s und eines Gleichrichterelements mit Steuerelektrode werden die oben erwähnten Schwierigkeiten vollständig vermieden.

Der Erfindung liegt also die· Aufgabe zugrunde, einen wärmefühlenden Regelkreis anzugeben, in dem eine Soll-Temperatur automatisch in einem üblichen niedrigen Tem- * peraturbereich aufrechterhalten wird, indem das Heizen automatisch bei anormaler Überhitzung unterbrochen,, aber automatisch wieder aufgenommen wird, wenn eine Abkühlung in den üblichen Temperaturbereich erfolgt ist. Ferner soll oin värmeffihleniier Hegelkreis für eine Einrichtung ange- £,ebeii werden, die gegenüber Feuchtigkeits- und TemperaturSchwankungen über lange Zeit unempfindlich ist. Schließlich solX eine derartige Einrichtung aus nur wenigen Bau-· toiJen bestehen, also einfach zu fertigen und wirtschaft-3 i ch seirtc

Ein wärmefühlendes Material für einen derartigen ^

wärmefühlenden Regelkreis, das diesen Anfofderungen ge- ™

nügt, hat vorzugsweise eine solche Kennlinie, daß sein elektrischer Widerstand exponentiell bei einem Temperaturanstieg abfällt, während sein kapazitiver Widerstand bis zu einer bestimmten" Temperatur langsam, darüber aber schnell ansteigt« Für diesen Zweck wird bisher Polyvinylchlorid tnit einem ionischen, d. h. einem kationischen oder anioiiischen, Oberflächenaktivierungsmittel verwendet. Dadurch wird jedoch kein gutes wärme'fühlendes Material erhalte-n", da Polyvinylchlorid nur einen^rgeringen Heizwiderstand aufweist. . ·

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Erfindungsgemäß wird als wärmefühlendes Material ein Polyamidharz mit einem Oberflächenaktivierungsmittel verwendet. Zweckmäßigerweise wird ein schwachhygroskopisches Polyamidharz mit weniger als 5 Gew„$ nichtionisches oder
amphoterisches Oberflächenaktivierungsmittel benutzt. Nylon (Vz) 8, 10, 11, 12 oder 61O, 611, 612 sind geeignete
schwachhygroskopische Polyamide. Die Ursache für die Verwendung des nichtionischen oder aniphoterischen Oberflächenaktivierungsmittels ist darin zu sehen, daß ein anionisches Oberflächenaktivierungsmittel die Gefahr einer Erosion an der Kontaktstelle mit den Leitern mit sich bringt und eine Zersetzung auftritt, wenn es mit einem Polyamid
gemischt ist, falls ein Schmelzformen vorgenommen wird.
Das Polyoxyäthylen-Glycol-System eines Alkylamids von der Art eines Phosphorsäureesters, das polyhydrische Alkoholsystem eines Solbitanesters von der Art eines Glyconamids oder das Fettsäure-Alkyloamid-System sind als nichtionisches Oberflächenaktivierungsmittel geeignet. Carboxylat
vom Imidazolin- oder Amidoamln-Typ zeigt günstige Ergebnisse als amphoterisches Oberflächenaktivierunfjsmittel.
Die Größe des Zusatzes des Oberflächenaktivierungsmittels hangt von dessen Art ab, beträgt aber gewöhnlich weniger
als etwa 5 Gew.[I des Polyamids. Oberhalb dieser Grenze wird die in ο c hanische Festigkeit des Polyamidharzes verringert. Aus Fi.";. 1 und 2 ist ersichtlich, daß zwischen 0 und 100 C eine ün' erst schnelle Änderung der Dielektrizitätskonstante .<= tattfjidcit. Das Material ist daher für eine Temperaturrerolun,'. durch eine kapazitive Reaktanz geeignet. Die exponentiolJe Änderung des elektrischen Widerstands zeigt ebenfalls an, daß das Material für diesen Zweck geeignet ist.

Itos Polyamidharz und das Oberflr: olienaktivierungsmittel brauchen nicht in besonderer Weise gemischt zu werdoii.

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Infolge der oben erläuterten Kennlinie kann ein Gleichrichterelement mit Steuerelektrode in der Regeleinrichtung verwendet werden, die durch einen Wärmefühler aus derartigen Materialien betätigbar ist, so daß die Einrichtung gegenüber den bekannten Einrichtungen bedeutend einfacher ist, die in der Hauptsache einen Transistorverstärker benutzen»

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von der Temperatur bei 50 Hz einer erfindungsgemäßen Polyamidverbindung, der ein Oberflächenaktivierungsmittel zugesetzt ist;

Fig. 2 die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands der gleichen Verbindung;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wärmefüh-Xers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er-. findung;

Fig. h das Schaltbild des zugehörigen wärmefühlenden . Regelkreises gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Kapazität einer Wärmefühlenden Schicht und der elektrischen Last, wenn der Regelwiderstand 100 Is.-Cl beträgt ; und

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Fig. 6 diß Beziehung zwischen dem Gleichstromwiderstand der gleichen wärmefühlenden Schicht und der elektrischen Last.

Es soll zunächst ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung anhand von Fig. 3 und h erklärt werden.

Ein Heizdraht h aus Kadmium-Kupfer ist um einen

_ flexiblen Kern 3 eines elektrischen Isolierstoffs ge-™ wickelt. Der Kadmium-Kupferdraht ist mit dem oben erwähnten Material beschichtet und mit einem Signaldraht 6 aus Kadmium-Kupfer bewickelt. Durch das Beschichten des Signaldrahts 6 mit einer Hylon(Wz)-Schicht wird ein Wärmefühler 1 vervollständigtο Der Heizdraht h dient als Last.

Die Regeleinrichtung 2 besteht aus einem Gleichrichterelement 8 mit einer Steuerelektrode, einer Neonlampe als Hilfselement, einem Regelwiderstand 10, einem Netzschalter 11, einer Sicherung 12 und einem Netzstecker 13· Das Gleichrichterelement und sein Hilfselement können Wk durch andere geeignete Bauelemente ersetzt werden. In der Praxis wird der Wärmefühler 1 in ein Heizkissen oder dergleichen eingesetzt, während die Regeleinrichtung 2 in einem Gehäuse untergebracht ist. Der Wärmefühler 1 und die Regeleinrichtung 2 sind durch einen Leitungsdraht verbunden.

Die elektrische Schaltung erstreckt sich einerseits von einem Anschluß des Netzsteckers 13 über den Schalter 11, die positive Elektrode 8a des Gieichrichterelements 8, dessen negative Elektrode 8b, den Heizdraht k und die Sl-

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cHerung 12 zum anderen Anschluß des Netzsteckers 13 sowie andererseits von einem Anschluß des Schalters 11 über den Refrelwiderstand 10, die Signalleitung 6 und die Neonlampe zur Steuerelektrode 8c des Gleichrichterelements 8. Im hier geschilderten Ausrührungsbeispiel ist das Gleich- richtereleinent 8 ein Planar-Thyristor mit Plastikform HITACHI CV-12, die Neonlampe oder Zündeinrichtung eine Entladungseinrichtung mit k5 Y- Gleichspannung,' während der Regelwiderstand 10 von 100 k Cl - 500 k0 regelbar ist, die Sicherung 12 für eine Strombelastbarkeit von 2,5 A ausgelegt ist und die Netzspannung 100 - 115 Y beträgt.

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Dieser Regelkreis arbeitet wie folgt: ■

Wenn der Schalter 11 geschlossen ist, werden elektrische Ladungen in der kapazitiven Komponente der wärmefühlenden Schicht über den Regelwiderstand 10 und die Signalleitung 6 gespeichert. Die Spannung zwischen der Si- * gnalleitung 6 und dem Heizdraht 4 steigt allmählich an. Wenn diese Spannung den Wert der Entladun^sspannung der Neonlampe 9 erreicht, wird diese leitend. Ein Zündstrom fließt durch die Steuerelektrode 8c des Gleichrichterelelnerrts 8. 'Dadurch bleibt das Gleichrichterelement 8 leitend, bis der Au^enblickswert des Halbwcllen-Gleichriclituriijsstroms die nächste Halbvellenperiocie erreicht. Des- (|

halb vird der in Reihe mit dem Gleichrichtereleinejit 8 geschalteiρ Heizdraht k erhitzt. Die in der Wärmefühlenden Schicht 5 gespeicherten elektrischen Ladungen fließen in Impulsform ab, wenn die Spannung zwischen der Signälleitung 6 und dem Heizdraht k unmittelbar unter die Entl.idungsspannung der Neonlampe fällt-. Die Phase dieses ' Stroms ist £e,«r<?n die der Netzspannung .verzögert, wenn die kapa7.i,tive Komponente der wärme fühl enden Schicht 5

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oder der ¥iderstandswert des Regelwiderstands 10 ansteigt. Der Vert des gleichgerichteten Stroms des Gleichrichterelements 8 kann durch Änderung der Phase des Strominipulses in die Steuerelektrode 8c relativ zu der der Netzspannung eingestellt werden. Durch Änderung des Widerstandswerts des Regelwiderstands 10 können der Zündwinkel des Gleichrichterelements 8 und damit dessen Leitungswinkel geändert werden. Auf diese Weise kann die vom Heizdraht k erzeugte Wärme ebenfalls geändert werden. Wenn die Ohm'sche Widerstandskomponente der wärmefühlenden Schicht 5 mit der Temperatur abnimmt, verringern sich die in der kapazitiven Komponente gespeicherten Ladungen. Gleichzeitig nimmt die zur Speicherung der elektrischen Ladungen erforderliche Zeit zu, so daß die Temperaturregelung des Heizdrahts 4 ermöglicht wird. Ferner wird es bei einer Abnahme der Ohm'sehen Widerstandskomponente möglich, den Zündstrom des Gleichrichterelements 8 unter den Pegel zu senken, der zum Zünden erforderlich ist. Dadurch wird eine Ein-Aus-Regelung erzielt.

Iis ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß durch die Kombination einer Widerstandsverringerung und einer Kapazitfitserhöhunf der wärmefiihlenden Schicht ^rj bei einer Temperaturänderung die Regelempfindlichkeit höher als bei dertm unabhängiger Verwendung j st. Selbst wenn die Impedanz der wärmefühlenden Schicht beispielsweise mit der Temperatur abnimmt, ändert sich die Widerstaridskomponente negativ mit der Temperatur, während die Kapazitätskomponente Dositiv variiert wird, so daß eine Temperaturregelung möglich 1st, solange die Gesamtimpedanz sich negativ rindert. Ls ist jedoch vorteilhaft, zur Erzielung einer höheren Empfindlichkeit, eine wärmofijhlende Schicht zu benutzem, deren Kapazitätskomponente sich positiv än-

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dert. Insbesondere, wenn die temperaturabhängige Änderung der Kapazitätskomponente sehr klein unterhalb einer bestimmten Temperatur, aber sehr groß darüber ist, kann eine sehr hohe Empfindlichkeit und damit ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden.

Bs soll jetzt ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, gemäß dem sich eine Temperaturregeleinrichtung in einem elektrischen Heizkissen befindet. In der in Fig. 4 abgebildeten Schaltung beträgt die Netzspannung 100 bis 115 Vf die Frequenz 50 Hz, die Bauelemente 8, 9 und 10 j|

haben die oben erwähnten Charakteristiken, der Heizdraht hat einen Widerstand von 35.Ω. bei 20 C, die warmefühlende Schicht hat die in Fig. 1 gezeigte Dielektrizitätskonstante und die in Fig. 2 wiedergegebene Widerstandscharakteristik, und die Signalleitung 6 ist ein Leiter mit einem Widerstand von etwa 90Q bei 20 C. Die Beziehung zwischen dem kapazitiven Widerstand des Heizdrahts 4 und der Signalleitung 6 in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme des Heizdrahts 4 ist in Fig. 5 zu, sehen. Eine ähnliche Abhängigkeit des Widerstands ist in Fig. 6 gezeigt. Nach dem Schließen des Schalters 11 beginnt der Heizdraht 6 erhitzt zu werden, so daß die Temperatur der wärmefühlenden Schicht 5 ansteigt. Der kapazitive Widerstand zwi- * sehen der Signalleitung· 6 und dem Heizdraht 4 erhöht sich, um den Leitungswinkel des Gleichrichterelements 8 klein zu machen. Dadurch nehmen die Leistungsaufnahme des Heiz-, drahts 4 und dessen Temperatur ab.

Hier nimmt der Widerstand zwischen dem Heizdraht 4 und der Signalleitung 6 mit der Temperatur der wärmefühlenden Schicht 5 ab. Da in einem elektrischen Heizkissen wie in diesem Ausführungsbeispiel abgebildet die Temperatur

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des Wärmefühlers 1 gewöhnlich 20 - 70 °C beträgt, ist der Widerstand zwischen dem Heizdraht h und der Signa L-leitung 6 mehr als 1 M.Ω. groß. Daher ist die Abnahme der Leistungsaufnahme des Heizdrahts k im wesentlichen klein, d. h* vernachlässlgbar klein, verglichen mit der infolge einer Änderung des kapazitiven Widerstands* DeshaLb ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wenn die Temperatur der wärinefiihleriden Schicht unter 70 C liegt, die Änderung des kapazitiven Widerstands wichtig für die Temporaturregelung, während oberhalb 70 C die Änderung der Widerstandskomponente beträchtlich wird, da gemäß Fig. 6 die Änderung der Leistungsaufnahme durch die Widerstandskomponente am schnellsten vor sich geht. Die Änderung der kapazitiven Wi'-ierstandskoinponente beim erfindungsgemäfieri Wärmefühler steigt oberhalb einer bestimmten Temperatur schnell an, so daß eine günstige Wirkung für die Temperaturregelung erzielt wird, wenn sie mit einer schnellen Widerstandsänderung kombiniert wird. Wenn ein elektrisches Heizkissen örtlich während des Gebrauchs gefaltet wird, so daß viele Heizdrähte auf engem Raum konzentriert sind, steigt die Temperatur in diesem Bereich anormal an_; Gewöhnlich ist die Länge dieser Heizdrähte kurz und ihre Anordnungsdichte groß, so dar. die Temperaturdifferenz zwischen einem gefalteten und einem normalen Teil der Heizdecke groß wird^ Für den normalen Gebrauch und eine lange Lebensdauer der Bauteile, insbesondere des Heiztuchgewebes und dessen Kunststoffbestandteile, ist es wichtig, den Temperaturanstieg im anormal überhitzten Bereich zu reduzieren. Gemäß Fig. 1 zeigt oberhalb einer bestimmten Temperaturgrenze der kapazitive Widerstand des erfindungsgemäßen Wärmefühlers einen starken Anstieg mit der Temperatur, während die Widerstandskomponente die Leistungsaufnahme verringert. Elektrische Ladungen, die

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zum Zünden des Grleichrichterelements 8 ausreichen, können nämlich nicht mehr gespeichert werden, so daß der Strom im Heizdraht k unterbrochen wird. Daher kann der Temperaturanstieg im anormal überhitzten Abschnitt verringert werden, so daß eine größere Sicherheit und eine längere Lebensdauer die Folge sind.

Wie bereits erwähnt wurde, werden erfindungsgemäß eine Verbindung¹ eines Polyamids und eines Oberflächenaktivierungsmitteis für die wärmefühlende Schicht verwendet, so daß ein Gleichrichterelement mit einer Steuer- M elektrode als Regeleinrichtung.benutzt werden kann und ein wärmefühlender Regelkreis erhalten wird, der eine größere Sicherheit als die bekannten Regelkreise aufweist. Weitere Vorteile sind ein einfacherer Aufbau und eine leichtere Herstellung sowie weniger Schwierigkeiten für den Benutzer,

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Claims

Patentanspruch

Wärmefühlender Regelkreis mit einer Regeleinrichtung, die aus einem Gleichrichterelement besteht, das eine Steuerelektrode und ein Hilfselement zur Regelung des Laststroms, d. h. des Leitungswinkels, durch Änderung des Zündwinkels oder durch Unterbrechung des Laetstroms mittels Unterdrücken der Zündung hat, und mit einem an der Regeleinrichtung angeschlossenen Wärmefühler, um elektrische Ladungen zum Zünden bis zu einer bestimmten Temperatur zu speichern, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmefühler (1) (Fig, 3» ^) aus einer Verbindung eines Polyamid mit einem Oberflächenaktivierungsmittel besteht und zwei Leiter (4, 6) hat, die durch eine Schicht (5) der wärmefühlenden Polyamid-Verbindung getrennt sind, daß die Schicht solche elektrischen Eigenschaften aufweist, daß die elektrische Widerstandskomponente mit der Temperatur absinkt, während die kapazitive Widerstandskomponente bis zu einer bestimmten Temperatur langsam und darüber schnell zunimmt, und daß der Zündwinkel der Regeleinrichtung (2) sich innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs mit den zwischen den beiden Leitern gespeicherten elektrischen.Ladungen infolge einer Änderung des kapazitiven Widerstands der Fühlschicht ändert, während darüber die Zündung im wesentlichen wegen einer Verringerung der elektrischen Ladungen unmöglich wird, die durch eine Verringerung des elektrischen Widerstands und eine Erhöhung des kapazitiven Widerstands hervorgerufea/wird.

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