DE3821496A1 - Temperaturschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP-B-1 16 861 ist ein Temperaturschalter dieser Art beschrieben, bei dem ein Steg aus dem Isoliermaterial des Strahlheizkörpers, in den er eingebaut ist, eine Strahlungs­ abschirmung und damit eine temporäre Ansprechverzögerung bewirkt. Dadurch ist es möglich, in der Anheiz- bzw. Ankoch­ phase den Strahlheizkörper auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, das dann beim weiteren Betrieb auf einen Behar­ rungszustand abgesenkt wird, der mit Sicherheit keine Schä­ digung der Glaskeramikplatte im Dauerbetrieb bewirkt.

Außerdem wird dadurch die Schaltamplitude bzw. -hysterese vergrößert, so daß die Schalthäufigkeit unter allen Bedin­ gungen auf einen zulässigen Wert gesenkt werden kann.

Aus der EP-B-1 50 087 geht ein Temperaturschalter für die Beheizung einer Glaskeramikplatte hervor, bei dem ein Quarz­ glasrohr verwendet wird, das selektiv nur Strahlung mit einer Wellenlänge absorbiert, die von der Glaskeramikplatte zurückgestrahlt wird, um den Temperaturschalter auf die Tem­ peratur der Glaskeramikplatte ansprechen zu lassen. Die von der Strahlungsquelle kommende Strahlung soll durchgelassen werden. Damit kann eine temporäre Ansprechverzögerung nicht erreicht werden.

Zum gleichen Zweck und aufbauend auf dem gleichen Prinzip wird bei der WO85/01 412 der Ausdehnungsstab oder das ihn umgebende Rohr mit einer Strahlung reflektierenden Beschich­ tung versehen. Diese reflektierende Beschichtung erfordert zusätzliche Maßnahmen bei der Herstellung und ist im Betrieb auch in ihrer Wirkung gefährdet, da die Reflektionseigen­ schaften in ihrer Wirkung nachlassen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Temperaturschalter zu schaffen, der eine temporäre Ansprechverzögerung und vergrö­ ßerte Schaltamplitude aufweist und besonders einfach und wirksam aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst.

Das strahlungsabsorbierende Material des Rohres nimmt also primär die Strahlung des Strahlheizkörpers auf und absor­ biert sie. Sie kommt also anfänglich nicht an den Ausdeh­ nungsstab. Das Rohr heizt sich dabei jedoch auf und gibt seinerseits Wärme, wenn auch mit Verzögerung, durch Eigen­ strahlung und Konvektion an den Ausdehnungsstab ab. Da das Material des Rohres zwar einen geringeren, jedoch nicht gänzlich vernachlässigbaren Ausdehnungskoeffizienten hat als der Ausdehnungsstab, bewirkt die erhöhte Anfangsaufheizung des Rohres gegenüber dem Ausdehnungsstab auch eine gewisse Gegenkompensation, was die Verzögerungswirkung noch ver­ stärkt. Im weiteren Betrieb wird die infolge der sehr an­ sprechungsempfindlichen Schalter-Grundcharakteristik sehr geringe Schaltamplitude wunschgemäß vergrößert und damit die Schalthäufigkeit herabgesetzt.

Diese Verzögerungswirkung kann dadurch wunschgemäß bemessen werden, daß das Rohr entweder ganz oder teilweise das strah­ lungsabsorbierende Material aufweist. Dies könnte zum Bei­ spiel als Beschichtung ausgebildet sein. Vorzugsweise ist aber das Rohr selbst aus strahlungsabsorbierendem Material hergestellt.

Die Verzögerungswirkung wird ferner verbessert, wenn das Rohr eine erhöhte thermische Trägheit aufweist. Das bedeu­ tet, daß es eine erhöhte Masse und/oder spezifische Wärme aufweist, so daß die Strahlungswärme gespeichert wird, bevor sie an den Ausdehnungsstab weitergegeben wird. Diese Wärme wirkt nach dem Abschalten des Heizelementes noch auf den Ausdehnungsstab ein und verzögert seine Abkühlung. Auch eine geringe thermische Leitfähigkeit des Rohrmaterials trägt dazu bei.

Bevorzugt besteht das Rohr aus einem durchgesinterten kera­ mischen Material, beispielsweise aus Cordierit, das ausge­ zeichnete Strahlungsabsorptions-Eigenschaften bei geringen Reflektionswerten aufweist.

Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, das Rohr aus einer Glaskeramik, insbesondere mit geringen Transmissions-Eigen­ schaften, herzustellen. Geringe Transmissions-Eigenschaften können durch eine Metalloxid-Beimischung erzeugt werden. Auch eine Herstellung aus strahlungsabsorbierendem, nicht­ transmissivem Quarzgut hat sich bewährt.

Wenn der Ausdehnungsstab bei einer bevorzugten Ausführung zumindest teilweise aus einer Chrom-Eisen-Aluminium-Legie­ rung besteht, die bei einer Temperatur oberhalb 800°C (ca. 1100 K), vorzugsweise oberhalb 1100°C (ca. 1400 K) wärmebe­ handelt ist, wird erstaunlicherweise gegenüber dem üblichen Chrom-Nickel-Material, das für den Ausdehnungsstab bisher verwendet wurde, eine wesentliche Erhöhung der Schaltampli­ tude von beispielsweise ±2 K auf ±5,5 K erreicht. Die Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung, die vorzugsweise ca. 22% Chrom und ca. 5% Aluminium enthält, ist unter der Bezeich­ nung "Kanthal A, Al, AF" von der Firma AB Kanthal, Schweden, erhältlich und wurde bisher als elektrisches Widerstandsma­ terial verwendet. In Verbindung mit der Wärmebehandlung be­ wirkt es die angegebenen Werte der thermischen Verzögerung bzw. Erhöhung der Schaltamplitude.

Besonders vorteilhaft ist der Temperaturschalter bei einem Strahlungsheizelement mit wenigstens einem Hochtemperatur- Strahlheizkörper, beispielsweise einem von einem Lampenkol­ ben umschlossenen Heizwiderstand, einsetzbar. Durch sein schnelles Ansprechen könnte die Schaltamplitude anderenfalls sehr klein werden und damit eine erhöhte Schalthäufigkeit zur Folge haben, die, vor allem auch wegen der hohen Anlauf­ ströme derartiger Hochtemperatur-Strahlungsheizkörper unzu­ lässig wäre. Die temporäre Ansprechverzögerungswirkung kann so bemessen sein, daß sie eine kurzzeitige Anfangsüberhit­ zung der Glaskeramikplatte zuläßt, die wegen ihrer Kurzzei­ tigkeit keine Schädigung auslöst, sie kann aber auch gerin­ ger bemessen sein, so daß sie die aufgrund der höheren Masse der Glaskeramikplatte ohnehin vorhandene Verzögerung der Aufheizung der Glaskeramikplatte kompensiert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen auch aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Diese Merkmale kön­ nen sowohl einzeln als auch in Unterkombinationen miteinan­ der vorteilhafte Ausführungen der Erfindung bilden und auch auf anderen Gebieten als den angegebenen einsetzbar sein.

Anhand der einzigen Zeichnungsfigur, die einen schema­ tischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, d.h. einen Temperaturschalter zeigt, wird die Erfindung nachstehend erläutert.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Strahlheizkörper 11, der unterhalb einer Glaskeramikplatte 12 angeordnet ist und diese beheizt. In einer Trägerschale 33 liegt eine Isolation 42. Heizwiderstände 13 oder 14 sind in Form einer in die Isolation 42 teilweise eingebetteten Heizwendel 13 und in Form eines Hochtemperatur-Strahlheiz­ körpers 14 vorgesehen, bei dem es sich beispielsweise um eine Halogenlampe handelt, deren Heizwendel 15 aus Wolfram oder ähnlichen Materialien in einem Quarz-Lampenkörper 16 enthalten ist und die aufgrund von Temperaturen oberhalb 1500 K ein Abstrahlungsspektrum weitgehend im sichtbaren Bereich hat.

Durch bis zur Glaskeramikplatte 12 reichende Ränder 17 der Isolierung 12 ragt ein Temperaturfühler 20 eines Temperatur­ schalters 21 hindurch, der zwischen der Glaskeramikplatte 12 und den Heizkörpern 13, 14 quer über den Strahlheizkörper ragt.

Bei dem Temperaturschalter 21 handelt es sich um einen fest eingestellten, jedoch justierbaren Temperaturbegrenzer, des­ sen als Schnappschalter 22 angedeutetes Schaltwerk die Heiz­ körper 13 und/oder 14 abschaltet oder in anderer Weise ihre Leistung mindert, wenn die Begrenzungstemperatur erreicht ist. Der Temperaturschalter 21 kann noch ein zweites, auf eine andere Temperatur einjustiertes Schaltwerk besitzen, das beispielsweise zur Anzeige des Heißzustandes der Glas­ keramikplatte verwendet werden kann.

Das Schaltwerk 22 und ggf. das weitere Schaltwerk wird durch einen Ausdehnungsstab 24 betätigt. Er ist in einem Rohr 25 angeordnet, das aus einem Material besteht, das gegenüber dem Ausdehnungsstab 24 einen wesentlich geringeren thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten hat.

Der Ausdehnungsstab 24 ist durch eine an einem verdickten Kopf 30 des Ausdehnungsstabes 24 angreifende Feder 26 im außerhalb des beheizten Bereiches des Strahlheizkörpers lie­ genden Schalterkopf 27 des Temperaturschalters 21 in Rich­ tung auf den Schnappschalter hin belastet, so daß er eine an seinem freien Ende auf einem Gewinde 28 angeordnete Justier­ mutter 29 gegen das Ende des Rohres 25 und damit das Rohr auch gegen den Schalterkopf zieht. Diese sog. Zugstab-Anord­ nung, bei der der Zugstab das thermisch aktive Teil ist, ermöglicht eine relativ einfache Montage, weil der Tempera­ turfühler durch die Feder selbst in kraftschlüssiger Anlage gehalten wird und trotz einiger Flexibilität der Anbringung die Justiergenauigkeit nicht leidet.

Der Ausdehnungsstab 24 besteht aus einer Chrom-Eisen-Alumi­ nium-Legierung, die vorzugsweise ca. 22% Chrom und 5% Alu­ minium enthält und die von der Firma AB Kanthal, Schweden, unter der Bezeichnung Kanthal A bzw. Al bzw. AF als Heizlei­ ter-Legierung hergestellt wird. Der aus diesem Material her­ gestellte Stab wird, nachdem er mit einem Kopf 30 für den Angriff der Feder 26 und dem Gewinde 28 versehen ist, einer Voralterung in einer Temperatur oberhalb 800°C, vorzugswei­ se bei ca. 1200°C in normaler Atmosphäre unterzogen. Da­ durch wird auch die durch die mechanische Umformung entste­ hende Spannung abgebaut. Dadurch wird die Schaltamplitude überraschenderweise um etwa ±3 K erhöht.

Das gegenüber dem Ausdehnungsstab-Material 24 geringer ther­ misch dehnende Rohr 25, das als Vergleichsnormal für den Ausdehnungsstab dient, besteht vorteilhaft aus einem haupt­ sächlich strahlungsabsorbierenden Material. Das bedeutet, daß es Strahlung praktisch nicht durchläßt, andererseits aber auch in größtem Umfang absorbiert und nicht reflek­ tiert. Vorteilhaft konnte ein Material aus Keramik, insbe­ sondere Cordierit KER 410, eingesetzt werden. Cordierit ist ein Mischkristall aus den Oxiden der Stoffe Magnesium, Alu­ minium und Silicium (2 MgO×2 Al₂O₃×5 SiO₂). Die Keramik KER 410 wird aus tonsubstanz-magnesiumsilicat-haltigen Mas­ sen bei Temperaturen um 1400°C gebrannt und besitzt als Hauptbestandteil das Mineral Cordierit. Es kann auch über die Schmelzphase und spätere Kristallisations-Behandlung hergestellt werden (vgl. D.M. Müller, "Sintered Cordierite Glass-Ceramic Bodies", Corning N. Y., US-PS 39 26 648). Bei Cordierit handelt es sich um ein durchgesintertes Material, das hauptsächlich strahlungsabsorbierend ist.

Ferner wurde als geeignetes Material ein Rohr 25 aus Glas­ keramik verwendet, beispielsweise vom Typ Ceran 85573. Die­ ses Material ist eine Glaskeramik mit niedriger Transmission und hoher Strahlungsabsorption, die durch eine Metalloxid- Beimischung erreicht wird.

Ferner wurde mit Erfolg ein Rohr 25 aus undurchsichtigem Quarzgut untersucht, beispielsweise aus dem Material "Roto­ sil" der Firma Heraeus. Auch hier ist die Strahlungsundurch­ lässigkeit und Absorptionsfähigkeit durch eine Beimischung von Metalloxiden erreicht worden.

In allen Fällen war es möglich, eine jeweils den Anforderun­ gen entsprechende mehr oder weniger große thermische Verzö­ gerung und Schaltamplitudenverzögerung zu erreichen. Insbe­ sondere bei der Verwendung von Hochtemperatur-Strahlungs­ heizkörpern 14 war diese Verzögerung, was auch den Anforde­ rungen der Praxis entspricht, größer, so daß beim ersten Ansprechen bei vorher kaltem Temperaturfühler die Abschal­ tung später erfolgt als beim nachfolgenden Dauerbetrieb. Vor allem wurde auch die Schalthysterese bzw. -amplitude vergrö­ ßert, ohne die Ansprechempfindlichkeit im übrigen zu beein­ trächtigen. Die Schaltamplitude sollte etwa in der Größen­ ordnung zwischen 4 und 10 K (bevorzugt 5 bis 7 K) liegen, um eine Schalthäufigkeit zu erreichen, die unter 5 Schaltungen pro Minute liegt. Anderenfalls könnte die durch jeweilige örtliche Bestimmungen festgelegte Maximalzahl von Schaltun­ gen pro Minute (wegen Netz- bzw. Funkstörungen) überschrit­ ten werden. In diesem Zusammenhang wirkt die strahlungsab­ sorbierende Ausbildung des Rohres 25 besonders dann vorteil­ haft, wenn die thermische Masse vergrößert wird. Dies kann dadurch geschehen, daß die bisher übliche Wandstärke für derartige Rohre von 1 mm wesentlich überschritten wird und vorzugsweise bis 3 mm gewählt wird. Auch ein Vorsehen ande­ rer wärmespeichernder Mittel am Rohr wäre möglich. Es ist auch denkbar, die strahlungsabsorbierenden Eigenschaften in einer Oberflächenbeschichtung vorzusehen, während das Rohr wärmespeichernde Eigenschaften aufweist. Durch die Verwen­ dung eines Rohrmaterials mit geringer thermischer Leitfähig­ keit kann die Wärmeabgabe vom Rohr an den Ausdehnungsstab behindert werden, was auch durch zwischengeschaltete Isola­ tionsmaßnahmen erreichbar wäre.

Vorzugsweise ist das am Rohr verwendete strahlungsabsorbie­ rende Material im gesamten für die Strahlungs-Beheizung we­ sentlichen Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierend, ins­ besondere in dem Bereich, der von der jeweiligen Strahlungs­ quelle direkt herrührt, so daß das Ansprechverhalten haupt­ sächlich von der Beheizung und nicht von Sekundärstrahlern, z.B. der Glaskeramikplatte, bestimmt wird. Diese Charakteri­ stik ist bei den beschriebenen Materialien gewährleistet, ist aber auch mit anderen Materialien zu erreichen.

Claims (13)

1. Temperaturschalter für eine eine Strahlungsquelle ent­ haltende Strahlungsheizung, mit wenigstens einem Schaltkontakt (22) und einem Temperaturfühler (20), der aus einem Ausdehnungsstab (24) aus einem Material mit höherem und einem diesen umgebenden Rohr (25) aus einem Material mit einem demgegenüber geringerem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht und mit Mitteln zur temporären, insbesondere bei Strahlung wirksamen An­ sprechverzögerung des Temperaturschalters (21), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (25) zumindest teilweise ein die von der Strahlungsquelle (13, 14) kommende Strahlung hauptsächlich absorbierendes Material auf­ weist.

2. Temperaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (25) aus strahlungsabsorbieren­ dem Material besteht.

3. Temperaturschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rohr (25) eine erhöhte thermische Trägheit und/oder eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist.

4. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (25) aus einem durchgesinterten keramischen Material, vorzugs­ weise aus Cordierit besteht.

5. Temperaturschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (25) aus Glaskera­ mik, insbesondere einer Glaskeramik mit geringen Trans­ missions-Eigenschaften besteht.

6. Temperaturschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (25) aus einem strahlungsabsorbierenden, nichttransmissivem Quarzgut besteht.

7. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrmaterial eine Metalloxid-Beimischung enthält.

8. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungs­ stab (24) federnd auf Zug belastet ist und durch eine vorzugsweise justierbare Verbindung (28, 29) an seinem vom Schaltkontakt (22) entfernten Ende mit dem Rohr (25) verbunden ist.

9. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er fest auf eine Begrenzungstemperatur eingestellt ist, wobei vorzugs­ weise ein zweiter, eine Heißanzeige für eine Kochstelle betätigender Signalkontakt vorgesehen ist.

10. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Strah­ lungs-Heizelement (11) mit wenigstens einem Hochtempe­ ratur-Strahlheizkörper (14) wie einem von einem Lampen­ kolben (16) umschlossenen Heizwiderstand (15) vorgese­ hen ist.

11. Temperaturschalter, insbesondere nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungsstab (24) zumindest teilweise aus einer Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung besteht, die bei einer Temperatur oberhalb 800°C (ca. 1100 K), vorzugsweise oberhalb 1100°C (ca. 1400 K) wärmebehandelt ist.

12. Temperaturschalter nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung ca. 22% Chrom und ca. 5% Aluminium enthält.

13. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsab­ sorbierende Material einen zumindest den von der Strah­ lungsquelle (13, 14) direkt herrührenden Wellenlängsbe­ reich umfassenden Absorptionsbereich aufweist.