DE3623087A1 - Elektrisch betriebene heizeinrichtung - Google Patents

Description

Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der britischen Patentanmeldungen 85.17345 vom 09. 07. 1985 und 86.075545 vom 26. 03. 1986 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine elektrisch betriebene Heiz­ einrichtung in Form einer Fußbodenheizung, einer Heiz­ matratze, eines Heizkissens oder dergleichen im allge­ meinen und in Form einer Heizdecke im besonderen.

Heizeinrichtungen dieser Art sind bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heiz­ einrichtung der vorgenannten Art derart weiterzubil­ den, daß diese zuverlässig gegen zu hohe Erwärmung und Brandgefahr geschützt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Dazu weist eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung ein Heizelement auf, eine Einrichtung zur Zuleitung von Impulsstrom zu dem Heizelement und eine auf einen vor­ gegebenen Anstieg der Dauer des An-Impulses empfind­ liche Einrichtung ist derart ausgelegt, daß zumindest die Zuleitung von Impulsstrom zu dem Heizelement re­ duziert wird.

Die Heizeinrichtung in Form einer Heizdecke kann ein Zweispulen-Heizelement aufweisen, dessen eine Spule zur Erwärmung der Decke und dessen andere Spule zum Nachweis von Leckstrom aus der einen Spule dient, wo­ bei die Decke mit einer Einrichtung versehen ist, die auf Leckstrom empfindlich ist und das An/Aus- Verhältnis der Impulsstromzufuhr zu dem Heizelement regelt.

Die auf den Anstieg bzw. die Zunahme der Dauer des An- Impulses empfindlich reagierende Einrichtung kann in Form eines Thermistors mit positivem Temperaturkoeffi­ zienten bzw. eines Kaltleiters oder als Alternative dazu in Form einer Schmelzsicherung ausgebildet sein.

Die Einrichtung zur Regelung des An/Aus-Verhältnisses der Impulsstromzufuhr zu dem Heizelement kann als Thermorelais oder aber als Impulssteuerungs-Triac- Treibereinrichtung ausgebildet sein.

Die auf Leckstrom empfindlich reagierende Einrichtung kann einen Kondensator zur Steuerung des An/Aus-Ver­ hältnisses der Impulsstromzufuhr derart aufweisen, daß die Temperatur der Heizdecke auf einer durch einen Steuerwiderstand wählbaren Höhe stabilisiert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es folgt die Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeich­ nungen.

Darin zeigen die Fig. 1 und 2 jeweils ein Schalt­ bild der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.

In Fig. 1 weist die Heizeinrichtung in Form einer Heizdecke 1 einen Wechselstrom-Netzeingang 9 mit Lei­ tungsanschluß L und Nullanschluß N auf. Die Decke 1 ist ausgestattet mit einem Zweispulen-Heizelement 2, mit einer Einrichtung 3 zur Aufnahme des zugeführten Wechselstroms und zu dessen Verwendung für die Versor­ gung des Heizelements 2 mit Impulsstrom und mit einer Einrichtung 4, die auf eine vorher bestimmte Zunahme der An-Dauer des Impulses empfindlich reagiert und so ausgelegt ist, daß sie zumindest die Impulsstromzufuhr zu dem Element 2 reduziert. Wie nachstehend erläutert, verhindert diese Reduzierung der Impulsstromzufuhr ei­ ne zu starke Erwärmung der Heizdecke.

Das Zweispulen-Heizelement 2 weist eine innere Spule (Heizspule) 5 auf, die auf einem zentralen Kern aus Rayon gewickelt und mit einer Isolierschicht 6 aus thermoplastischem Werkstoff versehen ist. Um die Schicht 6 ist eine äußere Spule 7 gewickelt, die selbst wiederum mit einer äußeren Isolierschicht (nicht dargestellt) versehen ist. Als Werkstoff für die Herstellung der Isolierschicht 6 eignet sich Poly­ vinylchlorid (PVC), dessen Isolationswiderstand mit steigender Temperatur abnimmt. Unter normalen Betriebs­ bedingungen kommt es zwischen den Spulen 5 und 7 zu einem sehr schwachen Leckstrom. Auch die äußere Isolier­ schicht kann aus PCV hergestellt sein. Die Spule 7 wird nicht als Heizspule verwendet, sondern vielmehr für den Nachweis von Leckstrom aus der Spule 5.

Die Einrichtung 3 für die Speisung von Impulsstrom weist ein Thermorelais auf (oder als Alternative dazu eine elektronische Feuerschlag-Steuereinrichtung).

Die Einrichtung 3 versorgt das Heizelement 2 der Decke 1 mit elektrischer Energie, und zwar zyklisch in An- und Aus-Impulsen diskreter Form. Für die maximale Energiezufuhr beträgt die charakteristische Dauer der An- und Aus-Perioden jeweils fünf Sekunden.

Die Einrichtung 4 zur Steuerung des Impulsstroms rea­ giert empfindlich auf eine Zunahme der Dauer des An- Impulses. Sie weist einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten bzw. einen Kaltleiter auf, dessen Widerstand sofort größer wird, wenn die An-Im­ pulse des Stroms zu lange werden (und eine Übererwär­ mung der Heizdecke verursachen), wodurch der Stromfluß auf ein sicheres Maß reduziert wird.

Als Alternative oder aber als zusätzliche Maßnahme kann die Einrichtung 4 zur Steuerung des Impulsstroms eine Schmelzsicherung dergestalt aufweisen, daß durch Wachs geschlossen gehaltene Kontakte gegen die Vor­ spannung in Öffnungsrichtung freigegeben werden. Ist das Wachs ausreichend stark erwärmt, so öffnen sich die Schaltkontakte, und der Stromkreis wird unterbro­ chen. Die Erwärmung des Wachses kann durch einen mit dem Schaltkreis in Reihe geschalteten Heizwiderstand erfolgen.

Alternativ dazu ließe sich ein in Form eines Bimetall­ streifens ausgebildetes Thermorelais verwenden.

Auch eine Schmelzdrahtsicherung wäre geeignet.

Die Spulen 5 und 7 werden beide zur Steuerung der Ein­ richtung 3 für Impulsstromzufuhr verwendet.

Wenn sich das An/Aus-Verhältnis des dem Heizelement 2 zugeleiteten Impulsstroms übermäßig ändert, so daß die Dauer des An-Impulses zu einer Zunahme über den vorher festgelegten Wert hinaus tendiert (zum Beispiel um 50% oder mehr), so steigt die Temperatur der Isolierung 6 zwischen den Spulen 5 und 7 und bewirkt eine ent­ sprechende Abnahme des Widerstands. Der verringerte Widerstand des Isolierung 6 erlaubt wiederum eine Zu­ nahme des Leckstroms zwischen den Spulen 5 und 7. Die­ ser nunmehr größere Leckstrom wird gegebenenfalls un­ ter Verwendung eines Verstärkers zur automatischen Verringerung der An-Impulse und Vergrößerung der Aus- Impulse des dem Heizelement 2 der Heizdecke 1 zugelei­ teten Stroms verwendet. Falls notwendig, kann die Dauer des An-Impulses auf Null reduziert werden.

Der größer gewordene Leckstrom zwischen den Spulen 5 und 7 kann auch zur Steuerung der Einrichtung 3 für die Impulsstromversorgung verwendet werden, wenn die Dauer der An-Impulse unter den vorher festgelegten Wert sinkt oder wenn sich die Dauer der Aus-Impulse wesentlich ändert.

Das erforderlich An/Aus-Verhältnis des dem Heizelement 2 zugeleiteten Impulsstroms läßt sich mit Hilfe eines an die Einrichtung 3 angeschlossenen Impulsverhältnis­ regler 8 manuell variieren.

Es könnte zu einer Übererwärmung der Heizdecke 1 kom­ men, wenn die Einrichtung 3 für die Impulsstromver­ sorgung einen Fehler entwickelt, der zu einem übermäs­ sigen Anstieg der Dauer des An-Impulses führt, nämlich über die Sicherheitskriterien hinaus. In diesem Falle wird durch die Impulsstrom-Steuereinrichtung 4 zumin­ dest der Stromfluß zu dem Heizelement 2 der Decke 1 reduziert.

Fig. 2 zeigt eine Heizdecke 1 a, deren Schaltkreis ge­ genüber jenem von Fig. 1 noch weiter entwickelt ist.

In dem Schaltkreis von Fig. 2 weist die Einrichtung 4 a zur Steuerung des Impulsstroms eine Schmelzsiche­ rung F und damit verbundene Widerstände R 5 und R 6 auf, die alle in Reihe geschaltet sind.

Die Einrichtung 3 a für die Impulsstromversorgung eine integrierte Schaltung des Typs I.C. 443A der Firma R. S. Components Limited, London, Vereinigtes König­ reich auf, die in dem von dieser Firm im July 1979 herausgegebenen Datenblatt R/3611 beschrieben und dar­ gestellt ist.

Der Schalter 20 weist eine integrierte Schaltung mit Nullspannungs-Impulssteuerungs-Triac-Treiber in einem 8-poligen Dual-in-Line-Gehäuse (DIP) auf und wird zum Durchschalten eines Triac 2 verwendet. Darüber hinaus ist der Schalter mit einer Einrichtung für die Erzeu­ gung einer konstanten internen Gleichstromversorgung von sieben Volt versehen.

Die Stifte P 1, P 2 des Schalters 20 sind jeweils an ei­ ne 240 Volt Wechselstrom-Netzleitung L und einen Null­ leiter N angeschlossen. Der Stift P 1 ist über Wider­ stände R 5, R 6, eine Sicherung F und einen einpoligen Schalter SW an die Leitung L angeschlossen, während P 2 über einen Netzleitungs-Vorwiderstand R 3 an den Nulleiter N angeschlossen ist.

Ein Kondensator C 4 ist an den Stift P 3 und die Leitung L angeschlossen sorgt für die Glättung der internen Gleichstromversorgung.

Der Stift P 5 ist an die interne 7-Volt-Versorgung an­ geschlossen, der Stift P 6 an ein Nadelimpulsfilter und einen Kondensator C 1 eines Generators für verzögerte Impulse und Stift P 7, der den Zeitzyklus steuert, über den Kondensator C 2 an die Leitung L.

Für die Unterdrückung von Netzleitungs-Interferenzen sorgen zwei Schaltkreise, deren einer einen Widerstand R 4, einen Kondensator C 5, Dioden D 2 und D 1, einen Wi­ derstand R 2 und einen Kondensator C 2 und deren anderer einen Widerstand R 7 und Kondensator C 6 aufweist.

Der Schalter 20 gibt die Durchschaltimpulse für das Triac-Gatt G aus dem Stift P 4 und über Leuchtdiode D 3 ab, wobei der Triac T 2 die Heizspule 5 mit Heizstrom­ impulsen versorgt. Die Dauer der An-Impulse des Heiz­ stroms wird bestimmt durch die an den Stift 8 des Schalter 20 angelegte Spannung. Je niedriger die ange­ legte Spannung ist, desto länger ist die Impulsdauer. Die an den Stift P 8 angelegte Spannung wird gesteuert durch einen Regelwiderstand VR 1 und einen Feldeffekt­ transistor (FET) T 1.

Der Widerstand R 1, die Spule 7 und ein voreingestell­ ter Widerstand VR 2 bilden zusammen eines Spannungs­ teilungsschaltung, die die Spannung über dem Konden­ sator C 3 regelt. Diese Spannung wird auch zwischen dem Gatt G und Kollektor D des Transistors T 1 angelegt und zu Beginn durch den Widerstand VR 2 voreingestellt.

Jedoch wird diese Spannung durch Leckstrom zwischen den Spulen 5 und 7 über der PVC-Isolierschicht 6 geän­ dert. Der Leckstrom wird mit zunehmender Temperatur des Isolierschicht 6 größer und setzt die an den Tran­ sistor T 1 angelegte Spannung herab und erlaubt somit einen Anstieg des Scheinwiderstands zwischen der Quel­ le S und dem Kollektor D des Transistors. Spannungsan­ stiege an dem Stift P 8 führen zu einer Abnahme der Dauer der An-Impulse des Heizstroms.

Der Regelwiderstand VR 1 kann zur Änderung der Span­ nung an dem Stift P 8 eingestellt bzw. verstellt wer­ den, wodurch sich das An/Aus-Verhältnis der Impuls­ ausgabe des Heizspulenstroms regulieren läßt. Demzu­ folge entspricht der Regelwiderstand VR 1 dem Impuls­ verhältnisregler 8 von Fig. 1. Nimmt die Dauer der An-Impulse zu, so nimmt die Dauer der Aus-Impulse ab und umgekehrt.

Wie vorstehend erwähnt, sind R 5 und R 6 Heizwiderstän­ de, die mit der Schmelzsicherung F verbunden sind. Wenn die Erzeugung des der Heizspule 5 zugeleiteten Impulsstrom endet, weil zum Beispiel der Triac 2 aus irgendeinem Grunde aufgeschaltet bleibt, wodurch es zu einem stetigen Stromfluß kommt, so bewirkt die durch die Widerstände R 5 und R 6 abgegebene Wärme, daß die Schmelzsicherung F den Schaltkreis öffnet.

Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine elek­ trisch betriebene Heizeinrichtung in Form einer Heiz­ decke, mit einem Zweispulen-Heizelement, mit einer Einrichtung für die Zuleitung von elektrischem Strom zu dem Heizelement in Pulsform und mit einer Steuer­ einrichtung, die derart ausgelegt ist, daß zumindest der Stromfluß zu der Heizdecke reduziert wird, wenn die Dauer des An-Impulses übermäßig zunimmt, um so ei­ ne Übererwärmung des Heizdecke zu verhindern. Die Ein­ richtung zur Impulsstromzufuhr kann ein Thermorelais aufweisen, das die Heizdecke zyklisch in An- und Aus- Impulsen diskreter Form mit elektrischer Energie ver­ sorgt. Die Steuereinrichtung kann mit einem Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten bzw. einem Kalt­ leiter versehen sein, dessen Temperatur rasch ansteigt und der den Stromfluß reduziert, wenn die Dauer der An-Impulse zu lang wird (und eine Übererwärmung der Heizdecke verursacht).

Claims (7)

1. Elektrisch betriebene Heizeinrichtung mit einem Heizelement, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Einrichtung (3, 3 a) vorgesehen ist für die Zuleitung von Impulsstrom zu dem Heizelement (2) sowie eine Einrichtung (4, 4 a), die auf eine vorher be­ stimmte Zunahme der Dauer der An-Impulse empfindlich ist und derart ausgelegt ist, daß sie zumindest die Zuleitung von Impulsstrom zu dem Heizelement redu­ ziert.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement mit zwei Spulen (5, 7) vorgesehen ist, wovon die eine Spule (5) des Heizelements (2) zur Erwärmung der Heizein­ richtung (1, 1 a) und die andere Spule (7) zum Nachweis von Leckstrom aus der einen Spule (5) dient, wobei die Heizeinrichtung mit einer Einrichtung (4, 4 a) ausge­ stattet ist, die auf Leckstrom anspricht und so ausge­ legt ist, daß sie das An/Aus-Verhältnis der Impuls­ stromzuleitung zu dem Heizelement regelt.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf eine vorgegebene Zunahme der Dauer des An-Impulses em­ pfindlich reagierende Einrichtung (4) einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten bzw. einen Kalt­ leiter aufweist.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf eine vorgegebene Zunahme der Dauer des An-Impulses em­ pfindlich reagierende Einrichtung (4) eine Schmelz­ sicherung aufweist.

5. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Regelung des An/Aus-Verhältnisses aus­ gelegte Einrichtung (4) ein Thermorelais aufweist.

6. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Regelung des An/Aus-Verhältnisses aus­ gelegte Einrichtung (4 a) eine Impulssteuerungs-Triac- Treibereinrichtung (20) aufweist.

7. Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leckstromempfindliche Einrichtung (4 a) einen Konden­ sator (C 2) zur Steuerung des An/Aus-Verhältnisses der Impulszufuhr, derart, daß die Temperatur der Heizein­ richtung (1 a) auf einer durch einen Regelwiderstand (VR 1) wählbaren Höhe stabilisiert wird.