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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen verbesserte selbstreinigende Öfen mit
einer Vorrichtung zur Steuerung der Dauer der Hochtemperatur-Ofenreinigungszyklen.
Insbesondere betrifft die Erfindung Öfen und Verfahren, in denen
ein Parameter von zumindest einem Teil des während eines Ofenreinigungszyklus
erzeugten Rauchs gemessen und die Dauer des Reinigungszyklus als
Reaktion auf eine solche Messung festgelegt wird.
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Stand der Technik
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Viele
Haushalts- und Industrieöfen
sind mit Selbstreinigungszyklen ausgestattet. Wenn ein Ofen verschmutzt
ist, startet der Benutzer einen Reinigungszyklus, der das Erhitzen
des Ofens auf eine sehr hohe Temperatur (z. B. 430°C) einschließt, um die
Ofenverunreinigungen zu sublimieren. Herkömmliche Reinigungszyklen arbeiten über eine
eingestellte Dauer von 2–4
Stunden, um sicherzustellen, dass alle Verunreinigungen von den
Ofenoberflächen
entfernt werden. Im Laufe eines Reinigungszyklus wird Rauch erzeugt,
da die Verunreinigungen verkohlen und sublimiert werden. Der größte Rauchanfall
findet in der Regel während
der ersten 30 Minuten eines solchen Zyklus statt. Danach schwächst sich
die Rauchproduktion ab und verliert an Intensität.
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Ein
Problem bei herkömmlichen
selbstreinigenden Öfen
liegt darin, dass der Reinigungszyklus über einen festgelegten Zeitraum
durchgeführt
wird, unabhängig
von dem Ausmaß der
Verschmutzung und vorhandener Verunreinigungen im Ofen. So wird für einen
schwer verschmutzten Ofen das selbe Ausmaß an Hochtemperaturreinigung
durchgeführt
wie für
einen leicht verschmutzten Ofen. Damit wird der Ofen nicht nur länger als
dies möglicherweise
nötig ist
außer
Betrieb genommen, sondern auch eine erhebliche Energieverschwendung
zugelassen.
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In
Dokument
US 5,826,520 werden
eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Hochtemperaturreinigung
organischer Rückstände auf
Glas-, Metall- Keramik- oder anderen hitzebeständigen Teilen offenbart. Die
Reinigungsvorrichtung umfasst eine Pyrolysekammer und eine Oxidatorkammer.
Im Betrieb wird die Pyrolysekammer erhitzt, um Rückstände auf thermischem Wege in
volatile Gase und verschwelte Rückstände aufzulösen (verdampfen).
Die volatilen Pyrolyseprodukte gehen durch ein Rohr in die Oxidatorkammer,
um durch Oxidation vollständig
entfernt zu werden.
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In
Dokument
DE 196 06 571 wird
ein Ofen mit pyrolytischer Reinigung offenbart, wobei im Inneren
des Ofens durch Pyrolyse Rauch erzeugt und über ein Netz zu einem Auslassabschnitt
transportiert wird. Ein Parameter der Abgase wird von einem Kontaminationssensor
im Auslassabschnitt ermittelt. Als Reaktion auf den festgestellten
Parameter steuert ein Steuerelement, das an den Kontaminationssensor
und an Heizelementen angeschlossen ist, die Reinigungszykluszeit.
Während
der normalen Nutzung dieses Ofens kann es aufgrund von Kontaminationen
des Sensors zu Problemen kommen.
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Es
besteht demnach ein Bedarf nach verbesserten selbstreinigenden Öfen, die
eine effiziente Selbstreinigung ermöglichen und welche die Kontamination
allfälliger
Rauchmelder im Normalbetrieb des Ofens verhindern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die oben skizzierten Probleme und schafft einen Ofen mit einer Reinigungszyklus-Zeitsteuerungsvorrichtung. Die
Zykluszeitsteuerungsvorrichtung funktioniert durch Messen eines
Parameters von zumindest einem Teil des Rauchs, der während eines
Ofenreinigungszyklus erzeugt wird, und durch Festlegung der entsprechenden
Zyklusdauer als Reaktion auf eine solche Messung.
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Die
Steuerungsvorrichtung umfasst eine Messkammer gemeinsam mit einem
Zuführungssystem
(z. B. einen Durchgang), welches den Ofeninnenraum mit der Messkammer
verbindet, um mindestens einen Teil des während des Reinigungszyklus
erzeugten Rauchs in die Messkammer zu befördern. Ein Rauchmelder ist
der Messkammer zugeordnet, um den relevanten Rauchparameter zu messen.
Vorteilhafter Weise handelt es sich beim Rauchmelder um einen konventionellen
Infrarot-Rauchmelder, der mit einer elektronischen Steuerung gekoppelt
ist, um den Parameter des Rauchs zu messen, der während mindestens
eines Teils des Reinigungszyklus erzeugt wurde.
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Im
Zuführungssystem
ist zwischen dem Ofen und der Kammer ein On-off-Ventil untergebracht
und ebenfalls an die Steuerung gekoppelt. Im normalen Ofenbetrieb
ist das Ventil geschlossen, um ein Eindringen von Ofengas in die
Messkammer zu verhindern. Das Ventil wird während des Reinigungszyklus geöffnet, um
das Eindringen von Ofengas und Rauch in die Messkammer zu erlauben.
Zudem kann zum Entfernen der größten Rauchpartikel
im Zuführungssystem
auch ein Inline-Rauchfilter untergebracht sein. Dies reduziert die
Rauchkontaminierungsrate der Messkammer und anderer Komponenten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Selbstreinigungsofens, an den
die bevorzugte Reinigungszyklus-Zeitsteuerungsvorrichtung gekoppelt
ist;
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2 ist
eine schematische Ansicht der bevorzugten Konstruktion der Messkammer,
die einen Teil der Reinigungszyklus-Zeitsteuerungsvorrichtung bildet;
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3 ist
eine schematische Darstellung der bevorzugten Messkammer, ausgestattet
mit beabstandeten Öffnungen,
um Umgebungsluft durch die Messkammer zu ziehen, während diese
in Gebrauch ist; und
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4 ist
ein Diagramm der Rauchintensität in
Relation zur Zeit für
einen typischen verschmutzten Ofen und eine Illustration der bevorzugten
Technik zur Bestimmung der Reinigungszyklusdauer.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen, stellt 1 einen
Ofen 10 in Kombination mit einer Reinigungszyklus-Zeitsteuerungsvorrichtung 12 dar.
Allgemein gesagt, ist der Ofen 10 selbst konventionell und
weist einen Innenraum 14 auf. Der Ofen 10 ist vom
selbstreinigenden Typ, der von konventioneller Steuerungs- und Zeitgeberelektronik
geregelt wird. Die Vorrichtung 12 umfasst eine Messkammer 16 sowie
ein Zuführungssystem 18,
das den Ofeninnenraum 14 und die Kammer 16 verbindet.
Eine Steuerung 20 bildet ebenfalls einen Teil der Vorrichtung 12.
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Detaillierter
betrachtet, ist die Messkammer 16 vorzugsweise aus hochtemperaturbeständigen Kunstharzmaterialien
geformt und hat die Form eines kleinen, röhrenförmigen oder kastenförmigen Gehäuses 22 mit
den Außenwänden 24,
einem Ofengaseinlass 26 und einem gegenüber liegenden Ofengasauslass 28.
Die Kammer 16 ist mit einem Sensor 30 in Form
eines Infrarotrauchmelders 32 ausgestattet. Der Melder 32 umfasst
eine Infrarotlichtemittierende Diode (LED) 34 sowie einen
beabstan deten Infrarotmelder 36. Die LED 34 und
der Melder 36 sind im Gehäuse 22 untergebracht
und so ausgerichtet, dass ein durch die Kammer 16 strömender Rauch
erfasst wird. Wie in 2 dargestellt, sind diese Komponenten
in einem Winkel zueinander so angeordnet, dass die von der LED 34 abgegebene
Infrarotstrahlung durch den Rauch (der in der Regel feste Partikel
und unterschiedliche Arten volatiler organischer Verbindungen (VOCs)
enthält)
gestreut und ein Teil der gestreuten Strahlung vom Melder 36 erfasst
wird.
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Es
versteht sich, dass das in den Zeichnungen dargestellte Gehäuse 22 eine
vereinfachte Ausführung
ist. In der Praxis kann das Gehäuse
einfach eine röhrenförmige Konfiguration
mit einem Durchmesser ähnlich
jenem des Rohrs 46 sein, so dass das Volumen des Gehäuses geringer
ist als jenes des Zuführungssystems 18.
Auch kann die Kammer eine Vorrichtung enthalten, die dazu dient
zu verhindern, dass die LED-Strahlung den IR-Melder erreicht, wenn
sich im Gehäuse
kein Rauch befindet. Diese kann spezielle Wandformen, interne Abtrennungen oder
eine IR-Schwarzbeschichtung im Innenraum der Kammer aufweisen. Auch
kann das Gehäuse eine
Vorrichtung zur Prüfung
der Rauchmelderfunktion besitzen, wie etwa eine besondere Öffnung,
durch die ein kalibriertes Streumedium (etwa ein einfaches Kunststoffteil
oder Stoffteil) anstelle des Rauchs eingeführt werden kann.
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Die
Steuerung 20 ist mit dem LED 34 und dem Melder 36 verbunden,
um diese zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung in elektrischer
Verbindung mit einem Infrarot-LED-Treiber 38, und der Ausgang
des Letzteren mit der LED 34 verbunden. Ein Verstärker 40 und
ein Analog/Digitalwandler 42 sind zwischen dem Melder 36 und
der Steuerung 20 in Serie geschaltet, wie illustriert.
Auch die Hauptbereichssteuerung 44, die an den Ofen 10 angeschlossen
ist und diesen steuert, ist mit der Steuerung 20 verbunden.
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Das
Zuführungssystem 18 liegt
vorzugsweise in Form einer länglichen
Metallröhre 46 vor,
die mit dem Ofen 10 und dem Eingang 26 des Gehäuses 22 verbunden
ist. Ein On-off-Ventil 48 ist im Rohr 46 zwischen
dem Ofen 10 und der Kammer 16 eingebracht. Das
Ventil ist auch mit der Steuerung 20 gekoppelt, welche
dessen Ein-Aus-Betrieb steuert.
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Wir
wenden uns 3 zu, in der eine modifizierte
Messkammer 16a dargestellt ist. In diesem Fall umfasst
das Gehäuse 22 den
Ofengaseinlass und Auslass 26, 28 mit dem an Ersteren
gekoppelten Rohr 46. Ein Abgasrohr 50 ist mit
dem Ofengasauslass 28 verbunden. In diesem Fall ist das
Gehäuse 22 jedoch
auch mit einem Paar gegenüber
angeordneter Öffnungen 52, 54 versehen,
bei denen es sich um Umgebungslufteinlass bzw. Umgebungsluftauslass handelt.
Die Öffnungen 52, 54 sind
zwischen dem Ofengaseinlass und Auslass 26, 28 und
dem Melder 30 angeordnet.
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Während der
normalen Nutzung des Ofens 10 für das Backen von Speisen und Ähnliches
kommt die Vorrichtung 12 nicht zur Anwendung. Das heißt, das
Ventil 48 bleibt geschlossen, damit keine Ofengase durch
das Rohr 46 in die Kammer 16 gelangen können. Wenn
jedoch die Reinigung des Ofens 10 mit Hilfe dessen Selbstreinigungszyklus
erforderlich ist, startet die Auslösung des Zyklus durch die Hauptbereichssteuerung 44 auch
die Funktion der Steuerung 20. Wenn dies geschieht, wird
das Ventil 48 zu einem festgelegten Zeitpunkt geöffnet und
damit zugelassen, dass Ofengas und ein Teil des infolge des Reinigungszyklus
entstandenen Rauchs durch das Rohr 46 und damit in die
Kammer 16 und durch diese hindurch strömen. Während des Durchgangs von Ofengas
und Rauch durch die Kammer 16 wird der Rauchmelder 32 über die
Steuerung 20 bedient, um über einen Zeitraum wiederholt
die Rauchintensität zu
messen. In der bevorzugten Praxis wird die Rauchmenge während der
Anfangsphase des Ofenreinigungszyklus gemessen, in der ein Großteil des Rauches
erzeugt wird, der im Laufe des Zyklus entsteht. Beispielsweise kann
die Rauchintensität
in der Kammer 16 während
einer Anfangsphase des Reinigungszyklus zur Steuerung der Reinigungszykluszeit verwendet
werden.
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Detaillierter
ausgedrückt,
ist zu beachten, dass der Rauchmelder 32 ein Signal proportional
zu dem vom Rauch in der Kammer 16 gestreuten Licht misst.
Die Daten werden durch iteratives Messen des Ausgangssignals des
IR-Melders 36 als I(i) gewonnen, in der Regel alle 10 Sekunden
nach Auslösung des
Reinigungszyklus. Im ersten Schritt wird durch Messen des Melderausgangssignals
während
der anfänglichen
rauchfreien Phase des Reinigungszyklus eine I(i) Basislinie bestimmt.
Wenn der Melder 36 einen niederen festgelegten Rauchschwellwert
SO feststellt, wird ein Zeitpunkt t1 notiert, und eine Reihe von
Messungen der Rauchintensität
S(i) wird ausgeführt.
Diese S(i)-Werte werden unter Heranziehung der Gleichung S(i) =
C × (gemessenem
I(i) – I(i)
Basislinie) berechnet, wobei C ein Skalierungskoeffizient und das
gemessene I(i) der zu den einzelnen Messzeitpunkten gewonnene Melderwert
ist. Diese S(i)-Werte werden so lange ermittelt, bis ein S(i)-Wert unter
den Schwellwert SO fällt,
was als Zeitpunkt t2 notiert wird. Die während des Zeitraums zwischen den
Zeitpunkten t1 und t2 gewonnenen S(i)-Werte werden dazu verwendet,
die Streusignalstärke
P zu berechnen, bei der es sich um den Durchschnitt der zwischen
t1 und t2 festgestellten S(i)-Werte handelt. Unter Anwendung der
Streusignalstärke
P kann die Dauer der Reinigungszykluszeit T entweder aus einer Nachschlagtabelle
oder unter Heranziehung des folgenden Polynoms gewonnen werden: T = a0 + a1 × P
+ a2 × P2 + a3 × P3+... wobei a0, a1 und a2 festgelegte
polynome Koeffizienten sind. Die Potenz des Polynoms ist variabel,
im typischen Fall aber 3.
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4 ist
eine grafische Illustration der bevorzugten Technik zum Messen von
S(i) für
die ultimative Berechnung der Dauer der Reinigungszykluszeit. Während der
anfänglichen
rauchfreien Periode wird – wie
dargestellt – mit
Hilfe der beschriebenen iterativen Messungen eine Basislinie Null
festgelegt. Nachdem der Melder 16 Rauch zu erfassen beginnt
und S(i) den festgelegten Schwellwert SO überschreitet, werden zusätzliche
Messungen von S(i) iterativ durchgeführt (z. B. jede Sekunde), bis
S(i) unter den Schwellwert SO abfällt. Daraufhin werden die S(i)-Werte
zwischen t1 und t2 gemittelt, um P zu erhalten, und P wird zur Ermittlung
der Dauer der Reinigungszykluszeit verwendet. In der Darstellung
der 4 ist der Schwellwert SO auf einen S(i)-Wert von annähernd 1200
gesetzt, der Skalierungskoeffizient C ist 1 und die polynomen Koeffizienten
sind a0 = –538,
a1 = 0,040527273, a2 = –5,272727E-07
und a3 = 0. Es ist zu erwarten, dass in der Praxis der Skalierungskoeffizient
C so ausgewählt
wird, dass der Wert P beim maximalen Streusignal gleich 1 ist.
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Nach
Verstreichen der Rauchmessperiode schließt die Steuerung 20 das
Ventil 48 und informiert die Hauptbereichssteuerung 44 über den
Zeitpunkt, zu dem der Reinigungszyklus beendet werden soll. Wenn
demnach der Ofen 10 schwer verschmutzt ist, werden in der
Messperiode t1–t2
erhebliche Mengen an Rauch erzeugt, woraus sich ein länger dauernder Reinigungszyklus
ergibt. Wenn der Ofen 10 weniger verschmutzt ist, wird
in der Messperiode t1–t2
eine kleinere Rauchmenge erzeugt und eine entsprechend kürzere Zykluszeit
angewendet.
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Wenn
der Sensor 16a der 3 verwendet wird,
wird Luft aus der Umgebung durch Konvektion durch die Öffnung 52 gezogen
und die Kammer entlang zur und durch die Öffnung 54 geführt. Dieser Umgebungsluftstrom
verläuft
zwischen dem Melder 30 und dem durch den Melder strömenden Ofengas und
Rauch. Insoweit diese Ströme
ihrer Art nach im Wesentlichen laminar sind, findet sehr wenig Vermischung
von Ofengas- und Umgebungsluftströmen statt. Die derartige Verwendung
eines Umgebungsluftstromes dient dazu, den Sensor 30 vor
Rauchkontaminierung und der Ablagerung von Rückständen darauf zu schützen.
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Fachpersonen
erkennen, dass die Erfindung, so wie in den Ansprüchen definiert,
vielen möglichen
Variationen unterzogen werden kann. Beispielsweise kann die Messkammer
für einen
bestimmten Ofen und eine bestimmte Reinigungsaufgabe besonders dimensioniert
oder konfiguriert sein. Und während
zwar ein Infrarotmelder aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen bevorzugt wird, kann auch
jeder andere bekannte Typ eines Rauchmelders verwendet werden. Zwar
ist die Steuerung 20 als getrennt von der Hauptbereichssteuerung 44 dargestellt,
doch kann die Elektronik für
die Steuerungsvorrichtung 12 ebenso in die Hauptbereichssteuerung
selbst eingebaut sein.
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Es
kann auch wünschenswert
sein, in der Leitung 46 einen Filter einzubauen, um schwere
Fett- und Ölteile von
dem in die Kammer 16 eindringenden Rauch zu trennen. Dies
verhindert eine Sensorkontamination und ermöglicht gleichzeitig das Eindringen von
Rauch in die Kammer. Des weiteren ist die Abführung aus der Kammer 16 zwar
als Rohr 50 dargestellt, dieses kann aber durch ein oder
mehrere Löcher
im Kammerkörper
ersetzt werden.