DE2349485C2

DE2349485C2 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE2349485C2
Application number: DE2349485A
Authority: DE
Inventors: Bernard Michael Foxboro Mass. Kulwicki; George East Providence R.I. Trenkler
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-10-10
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1983-12-01
Also published as: JPS54173275U; NL7313242A; DK140920B; DK140920C; DE2349485A1; US3805022A; JPS4972663A; JPS5622635Y2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Heizvorrichtung ist bekannt (US-PS 31 08 167). Diese bekannte Heizvorrichtung wird dazu eingesetzt, einem Bimetallschalter Wärme zuzuführen, damit dieser nach einer vorbestimmten Zeitperiode, gerechnet vom Beginn der Erregung des Heizelements an, seine Schaltkontakte schließt. Damit die Zeitverzögerung zwischen der Erregung des Heizelements und dem Schließen der Schaltkontakte unbeeinflußt von Schwankungen der Betriebsspannung bleibt, ist dem von einem Varistor gebildeten Heizelement ein normaler Widerstand in Serie geschaltet, der als Drahtwiderstand ein PTC-Verhalten hat. Der Varistor hat die bekannte Eigenschaft, daß sein Widerstandswert von der an seinen Klemmen anliegenden Spannung abhängt, wobei er bei einer unterhalb eines Spannungsschwellenwerts liegenden Spannung einen hohen Widerstandswert hat, der stark abnimmt, sobald der Spannungsschwellenwert überschritten wird. Die Betriebsspannung wird an die bekannte Heizvorrichtung an die beiden Enden der Serienschaltung aus dem Varistor und aus dem Drahtwiderstand angelegt. Dadurch teilt sich die Betriebsspannung auf diese beiden Widerstandselemente entsprechend dem jeweils fließenden Strom auf. Da bei einer hohen Betriebsspannung der Widerstandswert des Varistors abnimmt, steigt auch der durch die Serienschaltung fließende Strom, so daß der Spannungsabfall im Drahtwiderstand eo zunimmt. Dies bedeutet, daß der Spannungsabfall am Varistor kleiner wird, so daß demgemäß auch dessen Widerstandswert wieder ansteigt. Dadurch ergibt sich die angestrebte Regelwirkung für die vom Varistor abgegebene Wärme. Der Drahtwiderstand übt bei der bekannten Heizvorrichtung keinerlei Heizwirkung aus; er wirkt lediglich als Vorwiderstand für das eigentliche Heizelement, also den Varistor. Zur Unterbindung der Heizwirkung ist der Widerstand außerhalb eines Gehäuses angebracht, in dem sich der Bimetallschalter und der Varistor befinden. Eine thermische Wechselwirkung zwischen dem Varistor und dem Drahtwiderstand besteht somit nicht Die bekannte Heizvorrichtung kann kaum so betrieben werden, daß der Varistor in optimaler Weise Wärme abgibt Der Drahtwiderstand verhindert aufgrund der Spannungsteilerwirkung das Ansteigen der Spannung über den Schwellenwert des Varistors, da der nach diesem Überschreiten einsetzende größere Strom auch einen dementsprechend größeren Spannungsabfall am Drahtwiderstand hervorruft, der die Spannung am Varistor wieder herabsetzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß stets eine optimale Wärmeabgabe an eine aufzuheizende Last erfolgt, ohne daß eine thermische Instabilität auftritt, die zu einem Durchbrennen des in der Heizvorrichtung verwendeten Heizelements führen könnte.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Heizelement thermisch mit der wärmeempfindlichen Vorrichtung gekoppelt, so daß die beim Anlegen einer Spannung erzeugte Wärme unmittelbar auf die wärmeempfindliche Vorrichtung einwirkt und somit deren Verhalten beeinflußt Da die wärmeempfindliche Vorrichtung ein PTC-Verhalten hat, also bei zunehmender Temperatur einen ansteigenden Widerstandswert aufweist, tritt mit zunehmender Erwärmung eine Strombegrenzungswirkung ein, die verhindert, daß das Heizelement durchbrennt Aufgrund der besonderen Wahl des Spannungsschwellenwerts des Heizelements wird dieses stets in einem Bereich betrieben, in dem es optimal zur Abgabe von Wärme geeignet ist. Da der Anfangswiderstand der wärmeempfindlichen Vorrichtung sehr niedrig ist, liegt beim Anlegen der Betriebsspannung der größte Teil der angelegten Spannung am Heizelement. Diese über dem Spannungsschwellenwert liegende Spannung veranlaßt das Heizelement, viel Wärme abzugeben. Wenn nun die vom Heizelement erwärmte Last so beschaffen ist, daß sie die vom Heizelement erzeugte Wärme gut aufnimmt und verbraucht, stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, ohne daß die wärmeempfindliche Vorrichtung wirksam wird. Die wärmeempfindliche Vorrichtung wird ausschließlich vom Heizelement erwärmt, und wenn die Wärmeableitung zur Last groß ist, wird der Temperaturschwellenwert der wärmeempfindlichen Vorrichtung nicht überschritten, so daß demgemäß ihr Widerstand auch niedrig bleibt. Erst wenn sich die Wärmeabgabe an die Last verringert und somit mehr Wärme zur Abgabe an die wärmeempfindliche Vorrichtung verfügbar ist, kann deren Temperaturschwellenwert überschritten werden, so daß dann deren Widerstandswert sprunghaft ansteigt und eine Strombegrenzung hervorruft. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, daß das Heizelement zerstört wird, obwohl es ständig in einem Bereich arbeitet, der über seinem Spannungsschwellenwert liegt. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung wirkt im Normalbetrieb so, als wäre nur das Heizelement vorhanden, das in einem über seinem Spannungsschwellenwert liegenden Bereich arbeitet. Die wärmeempfindliche Vorrichtung wird nur in Ausnahmefällen wirksam, nämlich dann, wenn aus irgendeinem Grund die zu heizende Last nicht mehr genügend Wärmeenergie aufnehmen und abführen

kann, so daß sich das Heizelement ohne Vorsehen der Strombegrenzungswirkung der wärmeempFindlichen Vorrichtung überhitzen würde.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindroig sind in

den Unteransprüchen gekennzeichnet Einer der Vortei-Ie besteht darin, daß im Vergleich zur Verwendung eines PTC-Elements allein sehr große Ausgangsleistungen

\ möglich sind, da die Wärmeleitfähigkeit von Zinkoxid-• Varistoren etwa zehnmal höher als die dotierter

Bariumtitanat-PTC-Elemente ist Ein weiterer Vorteil f besteht darin, daß die große Ausgangsleistung mit ^:; einem niederohmigen PTC-Element gesteuert werden [-■ kann, das eine minimale Spannungsperrfähigkeit auf-Ϊ" weist Im Vergleich zu niederohmigen Elementen mit :; guten Spannungsperreigenschaften, die für Netzspan-Ii nungsanwendungen unter alleiniger Verwendung von pt PTC-Elementen benötigt werden, können niederohmige j| PTC-Elemente wesentlich einfacher mit engen Toleran-[I zen und in großem Umfang hergestellt wenden. Es ist r möglich, PTC-Elemente mit minimalen Spannungsperr- ¹ ', eigenschaften zu verwenden, da nur ein kleiner ι Bruchteil der angelegten Spannung am PTC-Element liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der : Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Heizvorrichtung,

Fig.2 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Heizvorrichtung von F i g. 1 und

Fig. 3 die Widerstands-Temperatur-Kennlinie der in der Heizvorrichtung enthaltenen wärmeempfindlichen Vorrichtung mit PTC-Verhalten.

In F i g. 1 ist eine Heizvorrichtung schematisch dargestellt, mit der eine Last Q erwärmt werden soll. Ein in der Heizvorrichtung enthaltenes, von einem Zinkoxidvaristor gebildetes Heizelement Z ist sowohl an die Last als auch an eine von einem PTC-Element gebildete wärmeempfindliche Vorrichtung P thermisch angekoppelt. Das Heizelement Z und das PTC-Element sind elektrisch in Serie geschaltet, und es liegt an der Serienschaltung eine Spannung V. Die Wärmeleitfähigkeit eines Zinkoxidvaristors ist etwa zehnmal größer als die Wärmeleitfähigkeit eines PTC-Elemenls. Wenn daher die zwei Elemente entsprechend der Darstellung von Fig. 1 angewendet werden, werden die die Erwärmung betreffenden günstigen Eigenschaften des Varistors ausgenützt, während seine nachteiligen Eigenschaften hinsichtlich einer energiemäßigen Instabilität durch die Verwendung des PTC-Elements überwunden werden. Obgleich das PTC-Element ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich der Energieausnutzung ergibt, ist andererseits seine Wärmeleitfähigkeit schlecht Es ist zu erkennen, daß die Kombination der zwei Elemente die Ausnützung ihrer besten Eigenschaften und die Beseitigung ihrer schädlichen Eigenschaften ergibt Die Heizvonichtung von F i g. 1 erfordert kein ständiges Öffnen und Schließen von Schaltern; sie wirkt vielmehr als kontinuierlicher Stromregler und nichtals Zweipunktregler.

In F i g. 2 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des Varistors dargestellt Die Bezeichnung Vc gibt den Spannungsschwellenwert an. Unterhalb des Schwellenwerts Vc leitet der Varistor nur wenig Strom. Über dem Schwellenwert steigt der Strom schnell an.

In Fig.3 ist die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des PTC-Elements dargestellt Tc gibt den Schwellenwert, nämlich den Curie-Punkt an. Unterhalb des Curie-Punktes 7"_c ist der Widerstandswert annähernd konstant Über dem Curie-Punkt steigt der Widerstandswert exponentiell mit der Temperatur an. Der Spannungsschwellenwert des Varistors ist so gewählt, daß er geringfügig unterhalb der angelegten Spannung liegt. Der Anfangswiderstand des PTC-Elements ist so niedrig gewählt, daß der größte Teil der Energie im Varistor erzeugt wird. Es ist erwünscht, daß die im Varistor erzeugte Energie wesentlich größer als die im PTC-Element erzeugte Energie ist, so daß dieses PTC-Element in erster Linie durch Wärmeübertragung vom Varistor erwärmt wird und die Energiezufuhr zum Varistor nur begrenzt, wenn die Energiezufuhr zur Last niedrig wird. Das PTC-Element ist so gewählt, daß sein Curie-Punkt Tc bei einer Temperatur liegt, bei der keine Überhitzung und Zerstörung des Varistors stattfinden kann.

Eine Heizvorrichtung der oben beschriebenen Art kann allgemein als temperaturbegrenzte Heizvorrichtung und auch als Vorrichtung angewendet werden, in denen die Schwelleneigenschaften des Varistors vorteilhaft ausgenützt werden sollen.

Ein Beispiel des zuletzt genannten Anwendungsfalls ist ein Niederspannungsschalter, bei dem die Heizvorrichtung an ein Bimetallelement (die Last) angekoppelt ist, das bei Absinken der Netzspannung den Kontakt öffnet, wodurch Elektromotoren gegen einen Betrieb mit Unterspannung geschützt werden können. Ein zweites Anwendungsbeispiel kann ein in gleicher Weise ausgelegtes Motoranlaßrelais sein, das die Startwicklung eines Elektromotors abtrennt, wenn sich die induzierte Spannung (Gegen-EMK) aufbaut, so daß der Spannungsschwellenwert des Varistors überschritten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heizvorrichtung mit einem Heizelement, durch das bei Anliegen einer bis zu einem Schwellenwert steigenden Spannung ein langsam steigender Strom fließt und beim Anliegen einer über dem Schwellenwert liegenden Spannung ein sehr schnell ansteigender Strom fließt und mit dem eine wärmeempfindliche Vorrichtung mit PTC-Verhalten elektrisch in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeich- ₎₀ net, daß die wärmeempfindliche Vorrichtung (P) mit dem Heizelement (Z) thermisch gekoppelt und derart ausgelegt ist, daß der sprunghafte Anstieg ihres Widerstandswerts beim Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur (Tc) einsetzt, die auf einem unterhalb der Zerstörangstemperatur des Heizelements (Z) liegenden Wert liegt, und daß der Spannungschwellenwert (Vc) des Heizelements (Z) so gewählt ist, daß unterhalb der an das Heizelement (Z) und die wärmeempfindliche Vorrichtung (P) ₂q angelegten Spannung liegt.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Zinkoxidvaristor ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeempfindliche Vorrichtung ein Bariumtitanat-PTC-Element ist.