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Elektrischer Tauchheizkörper mit elektronischer Einrichtung
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zum Steuern der Heizkörper- und Flüssigkeitstemperatur Die Erfindung
bezieht sich auf einen elektrischen Tauchheizkdrper, der mit einer eletronischen
Einrichtung ausgerüstet ist, die sowohl das Überschreiten der für den Tauchheizkörper
maximal zulässigen Temperatur verhindern, als auch das'genaue Einhalten einer vorgegebenen
Flüssigkeitstemperatur bewirken 8oll.
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Um die für den Tauchheizkörper maximal zulässige Temperatur zu begrenzen,
sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen der Temperaturfühler eines mechanischen,
pneumatischen, hydraulischen oder auch elektrischen Temperaturreglers oder Temperaturbegrenzers
wärmeleitend mit einem beheizten Teil des Tauchheizkdrpers verbunden ist. Beim Überschreiten
der Grenztemperatur bewirkt das mit dem Temperaturfühler verbundene Steuerorgan
das Abschalten der Heizleistung.
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Da vielfach die Forderung besteht, dan der Tauchheizkörper als kompakte
Cleräteeinheit auch eine Einrichtung zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Flüssigkeitstemperatur
enthalten soll, sind Konstruktionen bekannt, bei denen der Tauchheizkörper mit einem
zweiten Temperaturfühler ausgestattet ist, der nicht wärmeleitend mit einem beheizten
Teil des Tauchheizkdrpers verbunden ist und in Zusammenwirkung mit einem Regelgerät
der oben genannten Bauart die Aufgabe der Konstanthaltung einer vorgegebenen Flüssigkeitstemperatur
in mehr oder minder vollkommenem bzw. gewünschtem Ausmaß erfüllt.
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Die in der beschriebenen oder ähnlichen Weise ausgerüsteten Tauchheizkörper
weisen eine Reihe von Nachteilen auf:
Das Vorhandensein, beziehungsweise
die Notwendigkeit zweier Temperaturfühler und zweier Steuerelemente, hat verhältnismäßig
hohe Gestehungskosten des Tauchheizkörpers mit Steuereinrichtung für die Heizkörper-
und Flüssigkeitstemperatur zur Folge.
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Bei den, in der Regel sehr beschränkten Abmessungen zur Unterbringung
von Tauchheizkörpern in modernen Flüssigkeitserhitzern bereitet die Anordnung zweier
Fühlerrohre und zweier Steuerelemente Schwierigkeiten und führt vielfach zu Funktionsstörungen,
weil der Temperaturfühler für den Regler der Flüssigkeitstemperatur nicht nur von
der Flüssigkeitstemperatur, sondern zusätzlich von der Temperatur des Tauchheizkörpers
beeinflußt wird.
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Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die genannten Nachteile zu beheben.
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Erfindungsgemäß sind zwei in Serienschaltung angeordnete Thermoelemente,
beispielsweise nach Din 43732 und DIN 43710 als Sensoren eines Zweirichtungs- (bidirektionalen)Thyristors,
genannt Tf4IAC, der als steuerbarer Halbleiter-Leistungsschalter mit 2 Hauptanschlüssen
und einem Steueranschluß zur Regelung der Tauchheizkürperbelastung verwendet wird,
mit dem Tauchheizkörper verbunden.
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Die Schweißstelle des einen Thermoelementes ist gut wärmeleitend mit
einem beheizten Teil des Tauchheizkörpersw vorzugsweise mit seinem Rohrmantel, verbunden.
Die Schweißstelle des zweiten Thermoelementes befindet sich außerhalb des thermischen
Einflußbereiches des JTauchheizkörpers, innerhalb der Flüssigkeit.
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Beide Thermoelemente künnen-erfindungsgemäß in einem Schutzrohr untergebracht
sein, das nur im Bereich der Schweißstelle des zur Steuerung der Heizkörpertemperatur
verwendeten Thermoelements mit einem beheizten Teil des Tauchheizkörpers gut wärmeleitend
verbunden ist. Die Vergleichsstellen beider Thermoelemente sind außerhalb des Schutzrohres
und der Flüssigkeit innerhalb des Anschlußkopfes des Tauchheizkörpers angeordnet.
Erfindungsgemäß kann jedes der
beiden in Serie geschalteten Thermoelemente
in einem besonderen Schutzrohr untergebracht und gegen den Einfluß der Flüssigkeit
geschützt sein. Diese konstruktive Lösung ist dann vorteilhaft, wenn Thermoelemente
verwendet werden, die bereits mit einem metallischen Schutzmantel umgeben sind.
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Zur temperaturabhängigen Steuerung der Leistung des Tauchheizkörpers
dient erfindungsgemäß ein bidirektionaler Thyristor, auch Wechselstrom-Thyristor
oder Triac genannt, als steuerbarer Halbleiterschalter mit 2 Hauptanschlüssen(H
1 und H 2) und einem Steueranschluß (Gnte,G,), Zum Ansteuern beziehungsweise zur
Überführung dieses Halbleiterbauelementes in den leitenden Zustand (Zündung) mit
Thermoelementen als Sensor wird die Ausgangsspannung der Thermoelementkombination,
bestehend aus den beiden in Serie geschalteten Thermoelementen zunächst mit einem
Operationsverstärker zum Beispiel der RCA Baureihe CA> 3060, CA> 3078, CA
3080, CA 3094 und CA 3280 verstärkt und dann über eine monolithisch integrierte
Schaltung, genannt Nullspannungsschalter, zum Beispiel der RCA Baureihe CA 3058,
CA 3059 und CA 3079 als Steuerungs- beziehungsweise Triggerelement an den Steueranschluß
(Gate, G) des Triac geleitet.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, daß der Steuerimpuls
die Zündverzugszeit des Triac überdauert und am Ende des Steuerimpulses im Lastkreis
mindestensrEintatistrom (IHT) des Triac fließt.
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Der Tauchheizkörper besteht aus einem oder mehreren Heizwiderständen,
vorzugsweise Rohrheizkörpern, Heizpatronen oder anderen elektrischen Heizleitern
die einphasig oder mehrphasig in Gruppen von serien-oder parallelgeschalteten Heizwiderstandseinheiten
zwischen den Hauptanschlüssen H 1 und H 2 des Triac oder debTriacs angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß besteht auch die Möglichkeit, daß bloß ein Heizwiderstand
oder ein Teil der in Serie oder parallelgeschalteten Heizwiderstand als RegeUaSt
zwischen den Hauptanschlüssen des Triac oder derTriacs angeordnet ist, während der
restliche Teil der Heizwiderstände als Grundlast ohne Triacsteuerung ständig vom
Versorgungsnetz gespeist wird.
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Wenn der Tsuchheizkörper aus einem Drehstrom- oder Mehrphasensystem
von Heizwiderständen oder in Serie beziehungsweise parallelgeschalteten Heizwiderstandsgruppen
besteht, das über ein oder mehrere Schütze, deren Steuerspulen mit den Hauptanschlüssen
H 1 und H 2 des Triac verbunden sind, handelt es sich um eine teilweise induktive
Last. In diesem Falle wird erfindungsgemäß parallel zum Trisc ein sogenanntes RC-Glied,
bestehend aus Kondensatoren und Widerständen, angeordnet.
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Die Kondensatoren und Widerstände sind so bemessen, daß das langsame
Ansteigen des Einschaltstromes infolge der Induktivität der Steuerspule des Schützes
ausgeglichen wird und die Summe aus Kondensatorstrom und Laststrom nach erfolgter
Zündung des Triac wenigstens so groß ist, wie der Einsa$istrom des Triac.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der Zeichnung
ersichtlich: Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Tauchheizkürpers
Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel der elektrischen Steuereinrichtung des Tauchheizkörpers.
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In der schematischen Darstellung nach Figur 1 ist der Heizwiderstand
ein Rohrheizkörper, der in dem Befestigungselement, beispielsweise, dem Schraubkopf
2 feuchtigkeitssicher befestigt ist. In dem Schutzrohr 4 sind die erfindungsgemäß
in Serie geschalteten Thermoelemente c und 5 angeordnet. Die Schweißstelle des Thermoelements
5 befindet sich an der Verbindungsstelle 9 des Schutzrohres 6 mit dem beheizten
Teil des Rohrheizkörpers 1. Die Schweißstelle 6 des Thermoelements 6 befindet sich-,
entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel in jenem Teil des Schutzrohres
4, der etwas länger ist als die Eintauctitiee 1[ und vermittelt die tatsächliche
Flüssigkeitstemperatur ohne Beeinflussung durch die Strahlungs- beziehungsweise
Leistungswärme des Tauchheizkörpers.
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-fn dem Anschlußkopf 3 des Tauchheizkörpers befi'nden sich die Anschlußenden
des Heizwiderstandes 1, die Vergleichsstellen7der in
Serie geschalteten
Thermoelemente 5 und 6, sowie der Halbleiterbausatz 8, beziehungsweise der Triac-Leistungsschalter
mit den zugehörigen Halbleiter-Bauelementen.
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flei normalem Betrieb des Flüssigkeitserhitzers wird die Flüssigkeit
durch den Heizwiderstand 1 des Tauchheizkörpers solange erwärmt, bis die in den
seriengeschalteten Thermoelementen 5 und 6 erzeugte Spannung über den Operationsverstärker
und den Nullspannungsschalter des Bauelemente-Steuerrohrs 8 den Triac zum Abschalten
des Heizwiderstandes bringt. Die folgende Abkühlung der Flüssigkeit und das Absinken
der Thermoelement-Spannung bewirkt ein Zünden des Triac sowie das Wiedereinschalten
des Heizwiderstandes.
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Auf diese Weise erfolgt die Konstanthaltung der Flüssigkeitstemperatur.
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Wenn durch irgend eine Betriebsstörung, zum Beispiel durch das Ausfließen
der Flüssigkeit oder durch starken Kesselsteinbelag an dem Heizkörper 1 die Temperatur
an der Verbindungsstelle 9 zwischen Rohrheizkörper 1 und Schutzrohr 4 ansteigt,
steigt auch die Thermospannung des Thermoelements 5 stark an. Selbst wenn die Schweißstelle
6 des Thermoelements 6 nach teilweisem Ausfließen der Flüssigkeit oder nach vollständigem
Ausfließen der Flüssigkeit einer relativ niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, da
es ja nicht durch Temperatur des 'überhitzten" Tauchheizkörpers ausgesetzt ist,
bewirkt der steile Temperaturanstieg des in seiner Wärmeabgabe gestörten Rohrheizkörpers
1 einen sehr schnellen Anstieg der resultierenden Thermoelementspannung der beiden
seriengeschalteten Thermoelemente und ein rasches Abschalten der Heizleistung durch
das Ansprechen des Triac-Leistungsschalters.
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In der Figur 2 ist ein Schaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Triåc-Steuereinrichtung
dargestellt.
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4 Der Heizwiderstand beziehungsweise die in Serie oder parallelgeschalteten
Heizwiderstände 1 sind mit den Hauptanschlüssen H 1 und H 2 des Triac 2 verbunden.
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Die Ansteuerung des Triac 2 erfolgt, ausgehend von der Thermoelementspannung
des in Serie geschalteten Thermoelements 5 und 6 über den Operationsverstärker 13
mit dem Nullspannungsschalter 14 an den
Steueranschluß G des Triac
2.
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II Im Falle der Verwendung eines Schutzes zum Zu- und Abschalten
der mehrphasigen Heizwiderstandsgruppen ist anstelle des Heizwiderstandes 1 die
Steuerspule des Schützes angeordnet. In diesem Falle wird das in der Patentbeschreibung
erwähnte RC-(3lied parallel zu den Hauptanschlüssen H 1 und H 2 des Triac angeordnet
und bewirkt den Ausgleich des im ersten ##ement der Triac-Zündung fehlenden Stromanteil
dadurch, daß nach erfolgter Zündung die Summe aus Kondensaturstrom und Laststrom
nicht kleiner ist als der Ein#a@#strom des Triac.