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Elektrisch beheizter Durchlauferhitzer Die ,Erfindung betrifft einen
elektrisch beheizten Durchlauferhitzer.
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Es sind Durchlauferhitzer bekannt, bei denen in einem Durchlaufkanal
eine Heizwendel unisoliert angeordnet ist.
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Durch die unisolierte Anordnung der Heizwendel ergibt sich ein unmittelbarer
Übergang der rn der Heizwendel erzeugten åouleschen Wärme in das Wasser. Hierdurch
wird es möglich, die Heizwendel sehr hoch zu belasten, da sie von dem durchfließenden
wasser unmittelbar gekühlt wird, und es kann in einem relativ kleinen Gerät eine
große Leistung, z.B. in der Größenordnung von 10 Kilowatt, in Wärme zur Erzeugung
von Warmwasser umgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer unisoliert
im Durch laufkanal des Wassers liegenden Heizwendel besteht darin, daß die Heizwendel
eine geringe Wärmekapazität besitzt, so daß nach dem Abschalten des Gerätes nur
eine verhältnismäßig geringe Nachwärme an das stehende Wasser abgegeben
wird,
wodurch die Verkalkungsgefahr vermindert wird.
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Die Auslauftemperatur des Gerätes hängt von verschiedenen Störeinflüssen,
u.a. von der Kaitwassertemperatur, der Wassermenge, die u.a. durch den Leitungsdruck
bestimmt ist, und der Versorgungsspannung ab. Es ist wünschenswert, eine bestimmte,
gewünschte Auslauftemperatur vorgeben zu können, die dann unabhängig von den verschiedenen
Störeinflüssen oder auch von örtlichen Verschiedenheiten eingehalten wird.
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Es ist bekannt, bei Kesseln mit einem gespeicherten Wasservolumen
die Auslauftemperatur zu regeln, indem im Auslauf ein Wärmefühler angeordnet und
die Heizleistung von dem Wärmefühler gesteuert wird, derart, daß eine gewünschte
Auslauftemperatur eingeregelt wird. Das ist bei einem Kessel möglich, der durch
den Wasservorrat auf Störungen der vorerwälinten Art nur langsam reagiert, so daß
die Störungen vondem-Regler trotz der bei üblichen Wärmefühlern, z.B. Flüssigkeitsthermostaten,
und Heizvorrichtungen, z.B. in Keramik eingebetteten Heizwendeln, auftretenden Zeitkonstanten
herausgeregelt werden können.
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Es bietet aber bekanntermaßen extreme Schwierigkeiten, einen Durchlauferhitzer
mit einem relativ geringen und schnell durchlaufenden Wasservolumen auf eine konstante
Auslauftemperatur zu regeln. Bei üblichen Durchlauf erhitzern hat man sich daher
bemüht, die möglichen Störgrößen einzeln zu regeln, also beispielsweise die Wassermenge
mittels eines Wassermengenreglers konstant zu halten oder bei einem gasbeheizten
Durchlauferhitzer die dem Brenner zuströmende Gasmenge mittels eines Gasmengenreglers.
Man geht dann davon aus, daß bei Betrieb des Gerätes unter relativ konstanten Betriebsbedingungen
auch die Auslauftemperatur
im wesentlichen konstant bleibt. Dieses
Verfahren ist aufwendig und erfaßt nur einige Störgrößen, so daß bei bekannten Durchlauferhitzern
von einer echten Gemperaturwahl keine Rede sein kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchlauferhitzer
zu schaffen, der genau eine gewünschte Auslauftemperatur liefert.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Kombination dernachstehenden
Merkmale: (a) Der Durchlauferhitzer enthält wenigstens eine unisoliert in einem
Durchlaufkanal angeordnete Heizwendel und der Durchlaufkanal enthält stromauf und
stromab von der Heizwendel Vorschaltkanäle, deren Wassersäulen elektrische Schutswiderstande
bilden.
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(b) In dem Durchlaufkanal ist auslaufseitig ein elektrischer Wärmefühler
angeordnet.
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(c) Der Heizstrom durch die Heizwendel wird durch weigstens einen
gesteuerten Beistungshalbleiter geregelt, der seinerseits von dem Wärmefühler gesteuert
ist.
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Es erfolgt somit gemäß der Erfindung eine echte Regelung der Auslauftemperatur.
Die Auslauftemperatur wird gemessen und die Heizleistung wird entsprechend der Abweichung
der AuslauStemperatur von einem Sollwert verändert. Damit dies funktioniert, wird
jedoch ein ganz bestimmter Typ von Durchlauferhitzer gewählt, nämlich ein solcher
mit unisoliert im Durchlaufkanal angeordneter
Heizwendel. Es ist
ein elektrischer Wärmefühler vorgesehen und der Heizstrom durch die Heizwendel wird
von dem Wärmefühler elektronisch über einen gesteuerten Leistungshalbleiter geregelt.
Durch Verwendung eines Durchlauferhitzers mit unisoliert im Durchlaufkanal angeordneter
Heizwendel wird die Trägheit des t'Stellgliedestt gering gehalten.
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Durch Verwendung eines elektrischen Wärmefühlers und einer elektronischen
Heizstromsteuerung ergibt sich auch eine geringe Zeitkonstante des Meßfühlers und
des Reglers. Durch diese Wombination läßt sich überraschenderweise die Auslauftemperatur
eines Durchlauferhitzers mit erstaunlicher Genauigkeit konstant halten ungeachtet
der verschiedenen Störeinflüsse. Der Regeleingriff erfolgt so schnell, daß er auch
bei einem Durchlauferhitzer die Störungen weitgehend herausregeln kann. Der Durchlauferhitzer
mit unisoliert im Durchlaufkanal angeordneter Heizwendel ist dabei nicht nur vorteilhaft
hinsichtlich der hohen Belastbarkeit der Heizwendel und der geringen Nachwärme,
sondern auch hinsichtlich des schnellen Ansprechens auf ein Regelabweichungssignal.
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Der gesteuerte Leistungshalbleiter kann beispielsweise ein Triac sein.
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Es ist natürlich bekannt, Triacs zur Steuerung einer Heizleistung
zwecks Temperaturregelung zu verwenden. Bei bekannten Anwendungen geht es jedoch
nicht um die Regelung der Auslauftemperatur eines Durchlauferhitzers.
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Bei elektrischen Durchlauf erhitzern sind, wie vorstehend schon gesagt,
recht hohe elektrische Leistungen, beispielsweise von 24 Kilowatt, zu steuern. Für
solche Leistungen benötigt man üblicherweise
große Triacs o. dgl.,
welche bei einem elektrisch beheizten Durchlauferhitzer der vorliegenden Art den
Nachteil eines großen Raumbedarfs haben und außerdem so teuer sind, daß ihr Einsatz
zumindest bei vielen Typen von Durchlauferhitzern aus wirtschaftlichen Gründen nicht
möglich ist, In weiterer Ausbildung der Erfindung steht daher der gesteuerte Leistungshalbleiter
in Wärme austausch mit dem Kaltwasserzulauf des Durchlauferhitzers Große und teure
Griacs werden für die hier geforderten hohen Leistungen bei üblichen Anwendungen
deswegen benötigt, weil in den Triacs eine entsprechend hohe Terlustleistung umgesetzt
wird, die durch Kühlung abgeführt werden muß. Nach der Erfindung wird der gesteuerte
Leistungshalbleiter durch das dem Gerät zufließende Kaltwasser gekühlt. Damit ergeben
sich zwei Vorteile: Einmal kann dank der Wasserkühlung ein wesentlich kleineargesteuerter
Leistungshalbleiter (Triac) verwendet werden als er üblicherweise für die hier vorliegenden
Leistungen benötigt würde. Außerdem wird die Wärme von dem zu erhitzenden Kaltwasser
aufgenommen, beeinträchtigt also nicht, wie bei luStgekuhlten Triacs, den Wirkungsgrad
des Gerätes. Der Wärmeaustausch zwischen zulaufendem Kaltwasser und Triac kann dadurch
erreicht werden, daß in den Durchlaufkanal einlaßseitig ein Gehäuse aus gut wärmeleitendem
Material eingeschaltet ist, daß in den Gehäuseinnenraum quer zur Durchflußrichtung
des Wassers ein mit Kühlrippen versehener Zapfen aus gut wärmeleitendem Material
hineinragt, der mit einem tellerförmigen Kopf an der Innenwandung des Gehäuses angelötet
ist, und daß ein scheibenförmiger Triac im Bereich des tellerförmigen Kopfes wärmeleitend
mit der Außenwandung des Gehäuses verbunden ist.
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Für eine genaue Konstanthaltung der Auslauftemperatur ist eine Proportionalregelung
vorteilhaft. Diese kann unter Verwendung eines gesteuerten Leistungshalbleiters
in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß der Wärmefühler ein temperaturempfindlicher
Halbleiterwiderstand ist, der mit einem zur SoRlwertvorgabe einstellbaren Einstellwiderstand
einen Spannungsteiler bildet, daß die an dem Spannungsteiler abgegriffene Spannung
mit einer Sägezahnspannung an einer Vergleicherschaltung anliegt und daß der Leistungshalbleiter
in Abhängigkeit von dem Ausgang der Vergleicherschaltung für eine von der Auslauftemperatur
und dem Temperatursollwert stetig abhängige Zeit durchsteuerbar ist.
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Aus Gründen der Funkenstörung ist üblicherweise, was auch bekannt
ist, ein ETullspannungsdetektor vorgesehen, der eine Zündung des Triacs o. dgl.
nur im Nulldurchgang der Netzspannung zuläßt.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch einen
elektrischen Durchlauferhitzer mit einer erfindungsgemäßen Auslauftemperaturre ge
lung.
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Fig. 2 ist eine konstruktive Ausführung der Kühlung der Triacs durch
das zulauf ende Kaltwasser.
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Fig. 3 zeigt teilweise im Schnitt eine Draufsicht der Anordnung von
Fig. 2.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltung für die Steuerung des Triacs in einer
Phase.
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Fig. 5 veranschaulicht die Proportionalregelung bei einer Anordnung
nach Fig. 4.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein elektrisch beheizter Durchlauferhitzer bezeichnet,
welcher in einem Isolierstoffblock 12 einen Durchiaufkanal 14 aufweist, in weldiem
unmittelbar drei Heizwendeln 16 unisoliert angeordnet sind. Dem Durchlaufkanal 10
fließt Wasser über einen Zulaufkanal 18 zu. Von dem Wasserdruck bei lnbetriebnahme
des Geräts ist über einen Meinbranschalter 23 ein elektrischer Kontakt 22 betätigbar.
Von dem Durchlaufkanal 16 führt ein Auslaßkanal 24 zu einem Warmwasserauslaß. Im
auslaufkanal 24 ist ein temperaturempfindlicher Halbleiterwiderstand 26, z.B.
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ein NUC-Widerstand 26 angeordnet, der auf die Auslauftemperatur des
Wassers anspricht. Die Heizwendeln16 liegen bei der AusSührung nach Fig. 1 in Sternschaltung
an drei Phasen R 3 T. Die drei Phasen R S T enthalten je einen gesteuerten Beistungshalbleiter
in Gestalt eines Triac 28, 30 bzw. 32. Die Triacs 28, 30, 32 sind von einer Steuereinheit
34 über Steuerleitungen 76, 38, 40 ansteuerbar. An der Steuereinheit 34 liegt außerdem
über Leitungen 42 und 44 der Schalter 22 sowie ein Soliwertgeberwiderstand 46, der
nach Maßgabe einer gewünschten Temperatur einstellbar ist.
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Durch die Triacs 28, 30, 32 ist die den Heizwendeln 16 zugeführte
Heizleistung nach Maßgabe der Auslauftemperatur, die durch den Fühler 26 gemessen
wird, steuerbar, derart, daß die Auslauftemperatur auf einem an dem Widerstand 46
eingestellten Sollwert gehalten wird.
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Für die hohen Heizleistungen solcher Durchlauferhitzer von beispielsweise
24 Kilowatt wären üblicherweise große und aufwendige
Triacs erforderlich,
die für diese Leistungen ausgelegt sind.
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Nach einem Merkmal der Erfindung sind die Triacs 28, 30 und 32 in
Wärmeaustausch mit dem zulaufenden Kaltwasser. Bei der Ausführung nach Fig. 1 enthält
der Kaltwasserzulauf 18 eine erweiterte Kammer 48 mit nach innen gezogenen Vertiefungen
50, 52 und 54 in der Kammerwandung. Diese Vertiefungen können innerhalb der Kammer
48, also innerhalb des Kaltwasserstromes mit Kühlrippen 56 versehen sein. In diesen
Vertiefungen sitzen die Triacs 28, 30 und 32, so daß sie durch das zulaufende Kaltwasser
gekühlt werden. Damit können Triacs verwendet werden, die für die hier vorliegenden
Leistungen unterdimensioniert sind.
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tter den Schalter 22 kann gleichzeitig die Leistungseinschaltung in
Abhängigkeit von dem Wasserzufluß gesteuert sein. Der Schalter 22 sichert daher
einmal die Heizwendeln 16 gegen Durchbrennen bei Wassermangel und zum anderen auch
die Triacs 28, 30, 32, die ebenfalls nur dann Strom führen, wenn durch den Wasserdurchfluß
für eine ausreichende Kühlung gesorgt ist.
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Fig. 2 und 3 zeigen eine mögliche konstruktive Ausführung. Die Kammer
48 in der Kaltwasserzuleitung 18 ist als Metallgehäuse 58 von länglich rechteckiger
Grundform ausgebildet. An einer Seitenwandung des Metallgehäuses 58 sind sich quer
zur Strömungsrichtung des durchfließenden Wassers erstreckende Zapfen 60 aus gut
wärmeleitendem Material mittels eines tellerförmigen Kopfes 62 angelötet. Die Zapfen
60 tragen Kühlrippen 64. Auf der Außenseite des Gehäuses 58 sind scheibenförmige
Triacs 66 in wärmeleitendem Kontakt mit dem Gehäuse 58 befestigt.
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Die Triacs werden in der in Fig. 4 dargestellten Weise in Abhängigkeit
von der Auauftemperatur gesteuert.
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In Fig. 4 erfolgt die Stromversorgung der Steuerschaltung von der
220 Volt-Netzspannung über einen strombegrenzenden Vorwiderstand RV. Zwei Dioden
D1 und D2 bilden eine symmetrische Begrenzerstufe, welche die Spannung in einem
Punkt 68 auf +-8 Volt begrenzt. Diese Spannung wird über die Dioden D7 und Dl 3
gleichgerichtet und durch einen Siebkondensator ¢S geglättet. Diese Bauteile bilden
eine Einweggleichrichterschaltung zur Speisung der daran angeschlossenen Stufen
über die Versorgungsleitung 70e An der Spannung liegt ein Spannungsteiler bestehend
aus dem Sollwertgeber-Potentiometer 46 und dem NTC-Widerstand 26 im Auslaßkanal
24. Das Potential im Punkte 72 zwischen dem Sollwertgeber-Potentiometer 46 und dem
NWC-Widerstand 26 liegt um so tiefer, je höher die Wässertemperatur im Auslaßkanal
24 des Durchlauferhitzers ist, je geringer also der NGC-Wider stand 26 im Verhältnis
zu dem eingestellten Widerstandswert am Sollwertpotentiometer 46 ist. Der Punkt
72 liegt an einem Eingang einer Vergleicherschaltung, bestehend aus Transistoren
T2 und T3 an, wobei dieser Eingang mit der Basis des Transistors T2 verbunden ist.
Mit der Basis des Transistors T3 der Vergleicherschaltung ist ein Sägezahngenerator
verbunden, der eine Sägezahnspannung mit einer gegenüber der Netzspannungsperiode
großen Periode erzeugt. Die Kollektoren der Transistoren 22 und T3 liegen an den
Basen zweier Transistoren T4 und T5, deren Kollektoren miteinander und mit den Emittern
der Transistoren T2 und T3 verbunden sind und über einen Widerstand 74 an der Versorgungsleitung
70 anliegen. Die Transistoren T2 und T3 sind dabei komplementär zu den Transistoren
T4 und 1-5. Der Emitter des Transistors T5 liegt an Masse, während der Emitter des
Transistors T4 auf die Basis eines Transistors T1 geschaltet ist. Im Emitterbasiskreis
des Transistors Ti liegt ein Widerstand
76. An dem Widerstand
76 liegt die Ausgangsspannung eines Zweiweggleichrichters bestehend aus Dioden D3,
D4, D5 und D6, der über einen Widerstand R1 und den Vorwiderstand RV an der Netzspannung
liegt. Der Kollektor des Transistors T1 liegt über einen Kollektorwiderstand 78
an der Versorgungsleitung 70.
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Sofern die Spannung im Punkt 72 größer ist als die Spannung im Punkt
80 an der Basis des Transistors 5, liegt vom Emitter des Transistors 4 über Leitung
82 eine negative Spannung an der Basis des Transistors T1 an. Diese Spannung steuert
den Transistor T1 durch, sofern nicht vom Ausgang des Zweiweggleichrichters D3,
D4, D5, D6 eine posntivç Sperrspannung an der Bais des Transistors T1 anliegt. Das
ist stets der Fall'mit Ausnahme der Zeitpunkte, wo die Netzspannung durch null geht.
In diesen Punkten wird die Ausgangsspannung des Zweiweggleichrichters D3, D4, D5,
D6 null und bei negativer Spannung über Leitung 82 entsteht an dem Kollektor des
Transistors Dl ein Impuls. Der Impuls wird über Dioden D8, D9 auf die Basis eines
Transistors 26 gegeben und verstärkt. Der Kollektor des Transistors T6, an welchem
der verstärkte Impuls erscheint, ist über eine Diode D10 mit der Basis eines Transistors
T7 verbunden. Der Transistor T7 steuert über Transistoren T8 und T9 den Triac, der
in Reihe mit der Last liegt, die im vorliegenden Fall von einer Heizwendel des Durchlauferhitzers
gebildet ist.
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Der Triac wird daher bei jedem Nulldurchgang der Netzspannung gezündet,
so lange, bis das Sägezahnpotential an der Klemme 80 gleich dem Potential im Punkt
72 wird. Das dauert um so länger, je höher das Potential im Punkt 72 ist, je niedriger
also die
Temperatur des auslaufenden Wasser im Vergleich zu dem
am Sollwertpotentiometer 46 eingestellten Sollwert ist.
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Die Heizleistung wird daher in Wellenzügen eingeschaltet, die jeweils
beim Nulldurchgang der Netzspannung beginnen und eine ganze Zahl. vorn Perioden
der Netzspannung enthalten, wobei die Länge dieser Wellenzüge mit abnehmender Auslaufwassertemperatur
zunimmt. Die Anordnung kann so sein, daß im Sollwert die Heizleistung für eine mittlere
Dauer während jedes Sägezahns eingeschaltet ist, so daßRqgelabweichungen der Auslauftemperatur
nach oben oder unten stetig durch Verkürzen oder Erhöhen der Einschaltdauer des
durch den Triac gesteuerten Laststromes herausgeregelt werden können (Fig. 5).