DE3932292A1 - Schutzstromkreis fuer ein elektrisch beheiztes schmiegsames waermegeraet, wie bettwaermer oder kissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schutzstromkreis für ein elektrisch beheiztes schmiegsames Wärmegerät, wie Bettwärmer oder Kissen, mit einem Doppelheizelement, insbesondere einer koaxialen Doppelheizkordel, aus zwei nebeneinander angeordneten, elektrisch voneinander isolierten Heizleitern gleichen elektrischen Widerstandswertes, wobei eines von beiden Enden des einen Heizleiters mit dem am anderen Ende des Doppelheizelementes liegenden Ende des jeweils anderen Heizleiters verbunden ist und beide Heizleiter gemeinsam mit einer im Fehlerfall den Strom unterbrechenden Sicherungseinrichtung in Reihe geschaltet sind.

Derartige Schutzstromkreise sind beispielsweise aus der DE-PS 19 29 855 und der US-PS 36 28 093 bekannt. Bei ihnen verringert sich der von beiden Heizleitern insgesamt gebildete elektrische Widerstand auf die Hälfte, wenn zwischen beiden Heizleitern ein Kurzschluß auftritt, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle längs der beiden Heizleiter sich der Kurzschluß ausbildet. Im Falle des aus der US-PS 36 28 093 bekannten Schutzstromkreises ergibt dies eine Verdopplung des die Heizleiter und die Sicherungseinrichtung durchfließenden Stromes, wodurch die Sicherungseinrichtung ansprechen und den Strom unterbrechen soll. Die Sicherungseinrichtung ist eine in üblicher Weise auf Überstrom ansprechende Schmelzsicherung. Ein sicheres Ansprechen solcher Schmelzsicherungen bei nur dem doppelten Überstrom ist aber keineswegs gewährleistet, so daß derartige Absicherungen des Schutzstromkreises nur unzuverlässig arbeiten. Aus diesem Grunde ist bei dem aus der DE-PS 19 29 855 bekannten, an einer Wechselspannungsquelle betriebenen Schutzstromkreis in die Verbindung beider Heizleiter eine Diode eingeschaltet, so daß im ordnungsgemäßen Betriebszustand ein Halbwellengleichstrom fließt. Bei einem Kurzschluß zwischen beiden Heizleitern wird die Diode unwirksam, so daß sich der durch die Sicherung fließende Strom nicht nur verdoppelt, sondern auch noch in einen Wechselstrom ändert. Die Strombelastung der Sicherung wird dadurch noch größer und ihr Ansprechen im Fehlerfall zuverlässiger, jedoch bedeutet die Diode eine Gleichstrombelastung des das Wärmegerät speisenden Wechselstromnetzes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schutzstromkreis der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit geringem Aufwand ein absolut sicheres Abschalten im Fehlerfall gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sicherungseinrichtung aus einer Temperatursicherung und einem damit in Serie geschalteten Wirkwiderstand besteht, der mit der Temperatursicherung in einem sie durch die Verlustwärme im Wirkwiderstand beheizenden guten Wärmekontakt steht, wobei der Wert des Wirkwiderstands im Vergleich zum Widerstandswert der Heizleiter sehr klein, im übrigen aber groß genug ist, daß der Wirkwiderstand bei einem die doppelte Größe des Betriebsstromes erreichenden Fehlerstrom die Temperatursicherung über deren Nenn-Schalttemperatur (bei der die Temperatursicherung angesprochen haben muß) erhitzt.

Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Temperatursicherungen sind an sich bekannt und besitzen ein vom abzuschaltenden Strom durchflossenes Schmelzelement, das bei einer vorgegebenen Temperatur, der sogenannten Nenn-Schalttemperatur, durch Schmelzen "schlagartig" zerfällt und den Stromkreis sicher unterbricht. Die zur Nenn-Schalttemperatur führende Erwärmung erfährt das Schmelzelement aber nicht wie übliche Schmelzsicherungen durch die Stromwärme des die Temperatursicherung durchfließenden Stromes, sondern aus seiner Umgebung auf dem Wege von Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion. Dementsprechend dienen diese Temperatursicherungen nicht als Überstromsicherungen, sondern zum überwachen von Geräten auf unzulässige Erwärmung. Erfindungsgemäß wird eine solche Temperatursicherung mit einer künstlichen Wärmequelle in Gestalt des mit der Temperatursicherung im Wärmekontakt stehenden Wirkwiderstandes kombiniert. Der Wirkwiderstand hat in der Praxis einen um mehr als einen Faktor 100 niedrigeren Wert als der Widerstand der Heizleiter, d. h. der Stromfluß wird praktisch ausschließlich vom Widerstand der Heizleiter bestimmt. Nimmt dieser auf die Hälfte ab, steigt der Strom im Schutzstromkreis auf den doppelten Wert an. Durch diesen nahezu eingeprägten Strom steigt die am Wirkwiderstand entstehende Leistung im Vergleich zur ordnungsgemäßen Betriebssituation auf den vierfachen Wert an. Die dadurch entstehende Erhitzung des Wirkwiderstands reicht aus, die Temperatursicherung über die Nenn-Schalttemperatur zu erwärmen und damit zuverlässig zum Ansprechen zu bringen. Bei dem deutlichen Anstieg der thermischen Leistung im Wirkwiderstand um den Faktor 4 im Fehlerfall ist eine für die Sicherheit des Abschaltens völlig unkritische Dimensionierung der Temperatursicherung und des sie erwärmenden Wirkwiderstandes möglich. Auch ergibt sich, da sowohl die Temperatursicherung als auch der sie erwärmende Wirkwiderstand kleine Bauteile von geringer Wärmekapazität darstellen, eine schnelle Auslösecharakteristik für den Fehlerfall.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß der erfindungsgemäße Schutzstromkreis auch in Verbindung mit einer elektronischen Temperaturregelung des Wärmegerätes voll funktionsfähig ist, und zwar auch bei geringer Solleistungseinstellung des Reglers. Derartige temperaturgeregelte Wärmegeräte sind bekannt. Bei ihnen liegen die eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweisenden Heizleiter mit einem Meßwiderstand zur Istwertbildung und einem nach Maßgabe des Istwertes ansteuerbaren Halbleiterschalter in Reihe. Für ein solches temperaturgeregeltes Wärmegerät ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Meßwiderstand den die Temperatursicherung beheizenden Wirkwiderstand bildet. Tritt bei dieser Schaltungsanordnung ein Kurzschluß zwischen beiden Heizleitern auf, verdoppelt sich mit dem Strom auch die Spannung am Meßwiderstand, was von der Regelung so interpretiert wird, als wäre die Isttemperatur stark gesunken. Die Regelung wird dadurch dazu veranlaßt, den Halbleiterschalter ständig anzusteuern. Dadurch wird auch bei kleiner Solleistungsvorgabe im Fehlerfall doch auf maximale Leistung geschaltet und der Meßwiderstand in der zur zuverlässigen Auslösung der Temperatursicherung erforderlichen Weise erhitzt.

Ein ausreichender Wärmekontakt zwischen der Temperatursicherung und dem Wirkwiderstand kann zweckmäßigerweise dadurch erreicht werden, daß die Temperatursicherung und der sie beheizende Wirkwiderstand nebeneinander auf einer Leiterplatte angeordnet und gemeinsam mit einem Stück Schrumpfschlauch überzogen sind. Vorzugsweise ist das Doppelheizelement mit beiden Enden zu einer Anschlußplatte geführt und sind die Heizleiterenden an der Anschlußplatte verschaltet, wobei die Anschlußplatte mit einer Litzenleitung mit der Leiterplatte verbunden ist. Ebenso ist es möglich, daß das Doppelheizelement mit beiden Enden zu dieser Leiterplatte geführt ist und die Heizleiterenden an der Leiterplatte verschaltet sind.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelheizelement einen Kern als Träger des gewendelten ersten Heizleiters und eine darüber liegende elektrische Isolationsschicht als Träger des gewendelten zweiten Heizleiters aufweist, wobei beide Heizleiterwendeln in Windungssinn und -steigung einander entgegen gesetzt sind. Durch den entgegen gesetzten Windungssinn beider Heizleiterwendeln ergeben sich in der seitlichen Projektion des Doppelheizelements Überkreuzungen der Windungen beider Heizleiterwendeln, so daß beide Heizleiter im Fall eines durch Überhitzung bedingten Schmelzens der zwischen ihnen liegenden Isolationsschicht sicher miteinander zum Kurzschluß kommen. Darüber hinaus werden die Windungen beider Heizleiterwendeln in entgegen gesetzter Richtung vom Strom durchflossen, wodurch die elektromagnetischen Streufelder reduziert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein koaxiales Doppelheizelement des Schutzstromkreises,

Fig. 2 das Schaltungsschema des Schutzstromkreises mit einem nach Fig. 1 aufgebauten Doppelheizelement,

Fig. 3 in den Teilfig. 3a und 3b verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung der Temperatursicherung und des sie erwärmenden Wirkwiderstandes auf einer Leiterplatte, und

Fig. 4 das Schaltschema eines Schutzstromkreises mit Temperaturregelung des Wärmegeräts.

Das im Schutzstromkreis nach der Erfindung zum Einsatz kommende Doppelheizelement 1 in Form einer im Ausführungsbeispiel koaxialen Doppelheizkordel besitzt den aus Fig. 1 ersichtlichen Aufbau. Um den Kern 2 aus z. B. Polyester ist ein den einen Heizleiter 3 bildender Widerstandsdraht spiralförmig aufgewickelt. Der mit dem Widerstandsdraht bewickelte Kern 2 ist mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff (z. B. PVC oder Polyäthylen) überzogen. Diese Isolationsschicht 4 wiederum ist mit einem den zweiten Heizleiter 5 bildenden Widerstandsdraht bewickelt. Das ganze ist mit einer Außenisolation 6 z. B. aus PVC umhüllt. Im Fall einer örtlichen Überhitzung im Heizelement 1 wird die zwischen beiden Heizleitern 3, 5 liegende Isolationsschicht 4 bis zu ihrem Erweichungspunkt erwärmt, so daß, verursacht durch mechanische Belastung des schmiegsamen Wärmegeräts und/oder Zugspannungen in den Widerstandsdrähten die Windungen des einen Heizleiters mit Windungen des anderen Heizleiters in Verbindung kommen und einen Kurzschluß zwischen beiden Heizleitern 3, 5 herbeiführen. Der Erweichungspunkt des Materials der Isolationsschicht 4 liegt im Fall von PVC bei ca. 160°C, wodurch im normalen Betrieb eine zuverlässige Isolation zwischen den beiden Heizleitern 3, 5 sichergestellt ist. Um im Fehlerfall eine sichere Kontaktgabe zwischen den Windungen beider Heizleiter 4, 5 zu gewährleisten, sind beide Heizleiterwendeln in Windungssinn und -steigung einander entgegen gesetzt, also gegensinnig gewendelt.

Die Widerstandwerte beider Heizleiter 3, 5, d. h. der inneren und der äußeren Wendel, sind gleich groß. Beide Heizleiter 3, 5 sind elektrisch so in Reihe geschaltet, daß das Ende 7 des von der Innenwendel gebildeten Heizleiters 3 mit dem Anfang 8 des von der Außenwendel gebildeten Heizleiters 5 verbunden ist. Fertigungstechnisch ist dies einfach zu realisieren, da Anfang und Ende des Doppelheizelements 1 in einer dem elektrischen Anschluß dienenden Anschlußplatte im schmiegsamen Wärmegerät zusammengeführt oder direkt auf der die Schutzelemente tragenden Leiterplatte verschaltet sein können.

Durch diese Anordnung und Verbindung beider Heizleiter 3, 5 wird erreicht, daß an jeder Stelle der Doppelkordel 1 längs der Heizleiter 3, 5 die durch die Isolationsschicht 4 getrennten Heizleiter gleiches Spannungspotential in der Größe der halben Versorgungsspannung besitzen. Kommt es daher aufgrund punktueller Überhitzung zu einem Schmelzen der Isolationsschicht und zu einem in Fig. 2 beispielsweise bei 9 angedeuteten elektrischen Kontakt zwischen beiden Heizleitern 3, 5, so reduziert sich der im Stromkreis liegende Gesamtwiderstand der beiden Heizleiter 3, 5 immer genau auf den halben Wert, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle entlang den Heizleitern 3, 5 sich der Kurzschluß ausbildet.

Zu den Heizleitern 3, 5 ist ein weiterer Wirkwiderstand 10 in Reihe geschaltet, der einen um mehr als den Faktor 100 niedrigeren Wert als die beiden Heizleiter 3, 5 hat, so daß der Stromfluß näherungsweise ausschließlich vom Widerstand der Heizleiter 3, 5 bestimmt wird. Nimmt dieser Widerstand der Heizleiter auf die Hälfte ab, so steigt der Strom im Stromkreis auf den doppelten Wert an. Durch den nahezu eingeprägten Strom steigt die am Wirkwiderstand 10 entstehende Leistung auf den vierfachen Wert bei Nennbetrieb an. Beispielsweise ist es unschwer möglich, den zusätzlichen Wirkwiderstand 10 so auszuwählen, daß bei vierfach erhöhtem Leistungswert sich am Wirkwiderstand 10 ein Temperaturanstieg von ca. 40°C auf über 100°C ergibt. Dieser Temperaturanstieg ist ausreichend, um eine in gutem Wärmekontakt zum Wirkwiderstand 10 befindliche Temperatursicherung 11 zum Abschmelzen und Unterbrechen des Stromkreises zu bringen. Ein ausreichend guter Wärmekontakt ist z. B. dann gegeben, wenn die beiden Sicherungsbauteile, nämlich der Wirkwiderstand 10 und die Temperatursicherung 11, entsprechend den Fig. 3a und 3b stehend nebeneinander und mit einem Stück 12 aus schwarzem Schrumpfschlauch überzogen auf einer Leiterplatte 13 angeordnet sind, die beispielsweise auch der Verschaltung der Heizleiterenden 7, 8 des Doppelheizelements 1 dienen kann. Eine derartige Anordnung zeigt eine verhältnismäßig schnelle Auslösecharakteristik von nur wenigen Sekunden, die durch den deutlichen Anstieg der thermischen Leistung im zusätzlichen Wirkwiderstand 10 um den Faktor 4 zustande kommt.

Der beschriebene Schutzstromkreis läßt sich sehr günstig auch bei elektronisch temperaturgeregelten schmiegsamen Wärmegeräten einsetzen, bei denen die nichtlineare Widerstandscharakteristik der Heizleiter 3, 5 (PTC-Charakteristik) zur Isttemperaturermittlung des Heizelements 1 benutzt wird. Der zur Erwärmung der Temperatursicherung 11 dienende Wirkwiderstand 10 kann dann zugleich als Meßwiderstand des Regelkreises Verwendung finden. Das Prinzip derartiger Temperaturregelungen beruht nach Fig. 4 darauf, daß bei zunehmender Temperatur der Heizleiter 3, 5 deren Widerstand in bekannter Relation zur Temperatur zunimmt, also der Strom im Stromkreis sinkt. Der dabei an dem vom Wirkwiderstand 10 gebildeten Meßwiderstand abnehmende Spannungsabfall wird als Maß (Istwert) für die Heizleitertemperatur benützt. Als Stellglied für die Leistung wird im allgemeinen ein in Abhängigkeit vom Istwert über einen entsprechenden, hier nicht weiter zu beschreibenden Regler 14 angesteuerter Halbleiterschalter 15 verwendet, der mit den Heizleitern 3, 5, dem Wirkwiderstand 10 und der vom Wirkwiderstand erwärmten Temperatursicherung 11 in Reihe geschaltet ist. Der Sollwertsteller des Reglers ist mit 16 bezeichnet. Der Schutzstromkreis wird über eine Vollwellengleichrichtung 17 gespeist.

Tritt bei dieser Schaltungsanordnung eine punktuelle Überhitzung im Doppelheizelement 1 auf und kommen dabei die beiden Heizleiter 3, 5 in elektrischen Kontakt, so verdoppelt sich mit dem Strom im Stromkreis ebenso die Spannung am Wirkwiderstand 10. Die nun höhere, nämlich doppelt so hohe Spannung am Wirkwiderstand 10 wird von der Regelung so interpretiert, als wenn die Isttemperatur stark gesunken wäre, was den Regler 14 dazu veranlaßt, den Halbleiterschalter 15 ständig anzusteuern. Dadurch wird auch bei kleiner Solleistungsvorgabe erreicht, daß bei Auftreten punktueller Überhitzung kurzfristig doch die maximale Leistung angelegt wird, die über die entsprechende Erhitzung des Wirkwiderstandes 10 die Temperatursicherung 11 auslöst.

Claims (6)

1. Schutzstromkreis für ein elektrisch beheiztes schmiegsames Wärmegerät, wie Bettwärmer oder Kissen, mit einem Doppelheizelement (1), insbesondere einer koaxialen Doppelheizkordel, aus zwei nebeneinander angeordneten, elektrisch voneinander isolierten Heizleitern (3, 5) gleichen elektrischen Widerstandswertes, wobei eines (7) von beiden Enden des einen Heizleiters (3) mit dem am anderen Ende des Doppelheizelements (1) liegenden Ende (8) des jeweils anderen Heizleiters (5) verbunden ist und beide Heizleiter (3, 5) gemeinsam mit einer im Fehlerfall den Strom unterbrechenden Sicherungseinrichtung in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungseinrichtung aus einer Temperatursicherung (11) und einem damit in Serie geschalteten Wirkwiderstand (10) besteht, der mit der Temperatursicherung (11) in einem sie durch die Verlustwärme im Wirkwiderstand (10) beheizenden guten Wärmekontakt steht, wobei der Wert des Wirkwiderstands (10) im Vergleich zum Widerstandswert der Heizleiter (3, 5) sehr klein, im übrigen aber groß genug ist, daß der Wirkwiderstand (10) bei einem die doppelte Größe des Betriebsstromes erreichenden Fehlerstrom die Temperatursicherung (11) über deren Nenn-Schalttemperatur (bei der die Temperatursicherung (10) angesprochen haben muß) erhitzt.

2. Schutzstromkreis nach Anspruch 1, wobei zur elektrischen Temperaturregelung des Wärmegeräts mit den eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweisenden Heizleitern (3, 5) ein Meßwiderstand zur Istwertbildung und ein nach Maßgabe des Istwertes ansteuerbarer Halbleiterschalter (15) in Reihe liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand den die Temperatursicherung (11) beheizenden Wirkwiderstand (10) bildet.

3. Schutzstromkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursicherung (11) und der sie beheizende Wirkwiderstand (10) nebeneinander auf einer Leiterplatte (13) angeordnet und gemeinsam mit einem Stück (12) Schrumpfschlauch überzogen sind.

4. Schutzstromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelheizelement (1) mit beiden Enden zu einer Anschlußplatte geführt ist und die Heizleiterenden an der Anschlußplatte verschaltet sind, wobei die Anschlußplatte mit einer Litzenleitung mit der Leiterplatte (13) verbunden ist.

5. Schutzstromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelheizelement (1) mit beiden Enden zu der Leiterplatte (13) geführt ist und die Heizleiterenden an der Leiterplatte verschaltet sind.

6. Schutzstromkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelheizelement (1) einen Kern (2) als Träger des gewendelten ersten Heizleiters (3) und eine darüber liegende elektrische Isolationsschicht (4) als Träger des gewendelten zweiten Heizleiters (5) aufweist, wobei beide Heizleiterwendeln in Windungssinn und -steigung einander entgegen gesetzt sind.