DE2050952B2 - Verfahren zum vermindern des verluststromes eines elektrischen heizelements - Google Patents

Description

dem des mit der Zeit auftretenden Ansteigens eines Wechselspannung wurde in vielen Fällen als ange-

Verluststromes zwischen dem axialen Widerstands- messen befunden. Die Wechselspannung sollte nicht

element und dem geerdeten Metallmantel eines nvt weniger als 5 V betragen. Vorzugsweise wird die

einer Netzspannung zu betreibenden Rohrheizkör- elektrolysierende Gleichspannung in etwa regelmäßi-

pers, dessen Widerstandselement von einer Isolier- 40 gen Perioden während des Betriebs des Heizelements

schicht aus temperaturbeständigem organischem angelegt. Dabei beträgt das Verhältnis sämtlicher Pe-

Oxydmaterial umgeben ist. rioden, während welcher das Gleichstrompotential

Koaxiale elektrische Heizelemente dieser Art wer- einwirkt, zur gesamten Periode, während welcher es

den in weitem Umfang für häusliche und industrielle nicht angelegt wird, vorteilhafterweise zwischen

Zwecke verwendet, z.B. in Spiralform als Heizring 45 30:70 und 1:99. Eine Einschaltzeit von etwa 5°o

für Haushaltskocher. Unter Betriebsbedingungen ist und eine Ausschaltzeit von etwa 95⁰/o, d. h., ein Ver-

der Mantel geerdet, während eine Wechselspannung, hältnis von 5 :95 hat sich als geeignet herausgestellt,

üblicherweise zwischen 120 und 250 V bei 50 oder Jedoch muß besonders hervorgehoben werden, daß

60 Hz an das Widerstandselement angelegt wird. Das weitreichende Abwandlungen in der Länge und der

temperaturbeständige Isoliermaterial, welches das 5° Periodizität der Gleichspannungsanwendung gegeben

WideiStandselement umgibt, soll die thermische sind. Nimmt man den normalen Verluststrom eines

Energie so wirtschaftlich wie möglich auf den Mantel richtig verwendeten 240 V Wechselstromheizele-

übertragen und dabei gleichzeitig so wirksam wie ments bei Betriebstemperatur als Einheit, dann kann,

möglich das Widerstandselement gegen den geerde- in einem kennzeichnenden Fall, eine Reduzierung

ten Mantel elektrisch isolieren. 55 des Verluststromes um die Hälfte dadurch erzielt

Die Wärmekapazität eines Heizelements dieser Art werden, daß man eine 30 V-Gleichspannung für etwa soll so klein wie möglich sein, damit sich das EIe- ein bis zwei Minuten zwischen dem Widerstandselement in möglichst kurzer Zeit aufheizen oder abküh- ment und der Abdeckung anlegt. Wird die Gleichlen kann. Eine geringe Wärmekapazität bedeutet, spannung abgenommen, so steigt der Verluststrom daß das temperaturbeständige Isoliermaterial so 60 langsam auf seinen ursprünglichen Wert. Jedoch dünn wie möglich sein soll. Andererseits ist es von kann man bei dem hier betrachteten Fall davon auswesentlicher Bedeutung, daß der Vcrluststrom, der gehen, daß nach dem Abnehmen der elektrolysierenzwischen dem Widerstandselement und dem Mantel den Spannung mindestens zehn Minuten vergehen, fließt, wenn das Heizelement betrieben wird, d.h., bevor der Verluststrom auf 9Oⁿ/o seines ursprüngliwenn sich das temperaturbeständige Isoliermaterial 65 chen Wertes angestiegen ist. Allgemein gesprochen auf Betriebstemperatur befindet, so klein wie mög- ergibt sich, daß sich die Verminderung des Verlust- !^;ch gehalten wird. Dies nedcutct, daß die Dicke des Stroms exponentiell mit der Anwendungszeit der licrmatcriiils so groß wie möglich sein sollt':. Gleichspannung ändert, wobei die stärkste Vermin-

3 4

derung in den frühen Stadien der Elektrolyse auf- als diejenige, die in der Regel im Zusammenhang mit tritt. Annäherungsweise kann man davon ausgehen, Heizelementen für elektrische Haushaltskocher verdaß die Rückkehr des Heizelements zu normalen Be- wendet wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß triebsbedingungen nach dem Abnehmen der Gleich- die gezeigte Schaltung eine Energiereglung durchspannung linear verläuft. 5 führt und die Möglichkeit bietet, die Temperatur des

Die Erfindung ist nachstehend an Hand von in den Elements sehr genau zu steuern. Damit sinken die F i g. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen er- Kosten, und es wird außerdem ein verbesserter Wirläutert. Es zeigt kungsgrad des Heizelements erzielt.

Fig. 1 und 2 Schaltungsanordnungen zum periodi- In den graphischen Darstellungen zeigt Fig.3 die

sehen üegen einer elektrolysierenden Gleichspan- io Veränderung des Wechselstrom-Verluststroms über nung a. das Isoliermaterial zwischen dem Wider- derjenigen Zeit, während welcher eine elektrolysiestandselemenl und dem leitenden Mantel eines elek- rende Gleichspannung angelegt ist. Die Ordinate irischen Heizelements, nach F i g. 3 zeigt den Wert des Wechselstrom-Ver-

F i g. 3 und 4 typische graphische Darstellungen, luststromes direkt nach dem Abnehmen der elektrowobei das Maß des Verluststromes auf der Ordinate 15 lysierenden Gleichspannung, und zwar ausgedrückt und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist und als Verhältnis zu demjenigen Wechselstrom-Verlust-

F i g. 5 eine graphische Darstellung, bei der der ström, der in einem unelektrolysierten Heizelement Verluststrom in Milliampere auf der Ordinate und auftritt. Die Abszisse in F^;.... 3 zeigt die Zeit in Midie Zeit in Stunden auf der Abszisse er«-heim. nuten, während welcher die eie':trolysierende Gleich-

Die F i g. 1 und 2 zeigen zwei einfache Möglichkei- 20 spannung angelegt ist. Es ergibt sich, daß annähernd ten zum Anlegen einer periodischen, elektrolysieren- eine Exponentialkurve entsteht, die anzeigt, daß nur den Gleichspannung zwischen dem Widerstandsele- noch geringfügige Verbesserungen erzielt werden ment und dem Mantel eines Heizelements. Nach können, wenn die Gleichstromelektrolyse länger als Fig. 1 wird ein SchalterS zyklisch betätigt. Ist der fünf Minuten fortgesetzt wird. Beim Erstellen der Schalter 5 geschlossen, so heizt sich ein Heizelement 1 25 Kurven nach F i g. 3 betrug die Gleichspannung in normaler Weise auf, und zwar gespeist von einer 30 V, während die Wechselspannung auf 240 V ge-Wechselstromquelle 2, deren eine Seite auf oder nahe halten wurde. Das Heizelement wurde mit einer dem Erdpotential liegen sollte. Bei geöffnetem Schal- Temperatur von 850° C an der Abdeckung bet rieter S fließt ein Gleichstrom über eine Diode D₁ einen ben, und das Isoliermaterial bestand aus Magnesium-Strombegrenzungswiderstand R und das Isoliermate- 3° oxyd.

rial, das zwischen dem Widerstandselement und dem Aus F i g. 4 geht hervor, wie der Effekt der Gleichäußeren geerdeten Mantel des Heizelements 1 einge- Stromelektrolyse über der Zeit, die nach dem Ablegt ist. schalten der elektrolysierenden Spannung vergeht.

Ein Strahlungs- oder Heizelement eines elektri- abklingt. Ebenso wie in Fig. 3 zeigt die Ordinate das sehen Haushaltskochers wird in der Regel mit einem 35 Verhältnis des Wechselstrom-Veiluststromes vor und zyklischen Schalter verwendet, der die Erwärmung nach dem Anlegen der Gleichspannung, während auf steuert. Dieser Schalter kann in einfacher und relativ der Abszisse die Zeit in Minuten seit Beendigung der billiger Weise zu der Schaltung gemäß F i g. 1 abge- Elektrolyse aufgetragen ist. Aus dieser graphischen wandelt werden. Darstellung geht hervor, daß ein im wesentlichen Ii-

F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, 40 neares Verhältnis gegeben ist. Der Verluststrom bei der das Heizelement 1 von der Wechselstrom- steigt stetig auf seinen Wert vor Anlegung der Elekquelle Ά über einen Thyristor T gespeist wird. Der trolysespannung an. Wie auch bei der vorhergehen-Thyristor T wird asymmetrisch auf Grund einer den graphischen Darstellung wurden die Resultate Zündverzögerung gezündet, die von einer Zenerdiode gemäß F i g. 4 erzielt mit einer elektrolysierenden D 1 hervorgerufen wird. Die Zenerdiode liegt in 45 Gleichspannung von 30 V, mit einer Heiz-Wechsel-Reihe mit einem veränderbaren Widerstand R 1. Die spannung von 240 V und mit einem Heizelement, resultierende Schwingungsform, die dem Heizele- dessen Isoliermaterial aus Magnesiumoxyd bestand ment 1 zugeleitet wird, stellt eine verformte Sinus- und das mit einer Platientemperatur von «50° C arschwingung dar, wobei sich die Verformung der posi- beitet.

tiven Halbschwingung von der Verformung der ne- 50 F i g. 5 zeigt ein Diagramm, bei dem die Verlustgativen Halbschwingung unterscheidet. Dementspre- ströme auf Jer Ordinate in Milliampere über der Zeit chend kann die resultierende Schwingungsform als in Stunden als Abszisse aufgetragen sind, und zwar eine Kombination einer Wechselspannung mit einer für ein Heizelement, das bis zum Punkt X normal be-Gleichvorspannung betrachtet werden. Die Gleich- trieben wrde und anschließend in der oben bevorspannung (deren Größe wird durch Veränderung 55 schriebenen Weise der Wirkung einer Gleichstromdes Grades an Asymmetrie gesteuert, welche in der elektrolyse unterworfen wurde. Unter Verwendung Ausgangsschwingungsform von der Zündverzögerung der Schaltung nach F i g. 1 wurde die Wechselspandes Heizelements 1 hervorgerufen wird) läßt sich nung 97 Sekunden pro 100 Sekunden angelegt, wähüber den veränderbaren Widerstand R 1 steuern, da rend die Gleichspannung während der restlichen 3 ' der Widerstand den Zündwinkel des Thyristors T be- 60 Sekunden wirkte,
einflußt. Aus der graphischen Darstellung geht hervor, daß

Es sei darauf hingewiesen, daß der Widerstand R 1 nach Beginn der zyklischen, elektrolysierenden durch Steuerung des Zündzeitpunkts des Thyri- Gleichspannungsbehandlung der Verluststrom steil stors T während ieder Halbschwingung die dem abfiel und auf dem verminderten Wert so lange blieb, Heizelement 1 zugeführte Energie beeinflußt und 65 bis die zyklische Behandlung im Zeitpunkt Y unterdementsprechend die vom Heizelement erreichte brachen wurde. Für eine Zeit lang wurden dann Temperatur steuert. keine elektrolysierenden Gleichspannungen angelegt.

Die in F i g. 2 gezeigte Schaltung ist komplizierter Beim \ussetzen der Gleichstromelektrolyse kehrte

der Verluststrom schnell auf einen Wert in der Nähe des ursprünglich existierenden Wertes zurück, fiel jedoch sehr schnell wieder ab, wenn im Zeitpunkt Z die zyklische Gleichspannungsbehandlung wieder aufgenommen wurde. Der unruhige Verlauf der Kurve in der graphischen Darstellung hat sich auf Grund von Änderungen der Wechselspannung ergeben. Es wurde festgestellt, daß die Vorteile der Gleichspannungselektrolyse nur in den Fällen auftraten, in denen Heizelemente über beachtliche Zeit bei hohen Temperaturen betrieben worden waren. Es besteht die Möglichkeit, daß Metallionen, die aus dem Widerstandselement oder der äußeren Abdeckung stammen, in das hochtemperaturbeständige Isoliermaterial einwandern und seinen tatsächlichen Widerstand vermindern. Es ist möglich, daß das periodische Anlegen der Gleichspannung dazu führt, daß diese verunreinigenden Ionen zur negativen Elektrode des Gleichspannungskreises geschwemmt werden, so daß sich eine vorübergehende Verbesserung der Widerstandseigenschaften der Isolierschicht ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Diese beiden Gesichtspunkte wirken daher einander Patentansprüche: entgegen und es ist in der Praxis bisher notwendig, einen Kompromiß zu schließen, d. h., das Isolierma-

1. Verfahren zum Vermindern des mit der Zeit terial muß so dick sein, daß der Verluststrom auf ein auftrp iden Ansteigens eines Verluststromes 5 zulässiges tv.aß reduziert wird, wobei jedoch eine zwischen dem axialen Widerstandselement und langsame Ansprechzeit des Heizelements als unverdem geerdeten Metallmantel eines mit einer meidbar in Kauf genommen wird.
Netzspannung zu betreibenden Rohrheizkörpers, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dessen Widerstandselement von einer Isolier- einem Heizelement dor eingangs genannten Gattung schicht aus temperaturbeständigem organischem io den Verluststrom so weit wie möglich zu reduzieren, Oxydmaterial umgeben ist, dadurch ge- um dadurch die Isoüermaterialschicht mit geringer kennzeichnet, daß periodisch ein Gleich- Dicke ausbilden und die Ansprechzeit des Heizelespannungspotential zwischen dem Metalimantel ments erhöhen zu können.

und dem Widerstandselement angelegt wird. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- is durch, daß periodisch ein Gleichspannungspotential kennzeichnet, daß das angelegte Gleichspan- zwischen dem Metallmantel und dem WiderstandsnungspotenK. 1 zwischen 5 und 20⁰O der Wechsel- element angelegt wird.

spannung beträgt. Es wurde festgestellt, daß die elektrischen Isolier-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch eigenschaften einiger hitzebeständiger Materialien, gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Periode, »o z. B. anorganischer Oxydmaterialien, durch Gleichwährend welcher das Gleichspannungspotential Stromelektrolyse erheblich verbessert werden könangelegt wird, zu der Zeit, während welcher nen, und daß diese verbesserten Isoüereigenschaften Wechselspannung angelegt wrd, zwischen 30 : 70 die Möglichkeit bieten, Heizelemente der eingangs und 1 :99 beträgt. genannten Gattung in zufriedenstellender Weise mit

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- 15 Isoliermaterialschichten aufzubauen, die dünner sind, kennzeichnet, daß das Verhältnis bei 5 :95 liegt. als dies bisher möglich war, wobei dennoch der Ver-

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch luststrom ausreichend niedrig gehalten wird. Das gekennzeichnet, daß jede Periode, während wel- Verfahren nach der Erfindung führt daher zu verbescher das Gleichspannungspol.ntial angelegt wird, serten Heizelementen, die in weitem Umfang Anwenweniger als zwei Minuten dauert. 30 dung finden können.

Die tatsächlich angelegte Gleichspannung und der

zeitliche Verlauf ihrer Einwirkung können für jedes

einzelne hitzebeständige Material empirisch auf optimale Werte gebracht werden. Eine Gleichspannung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermin- 35 von 5 bis 20° 0, geeigneterwe^:se etwa 10°o, der