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Die
Erfindung bezieht sich auf ein durch einen elektrischen Widerstand
gebildetes Heizelement, auf einen mit einem solchen Heizelemente
versehenen Flüssigkeitsbehälter und
auf ein Verfahren zum Feststellen einer Temperaturveränderung
in einem durch einen elektrischen Widerstand gebildeten Heizelement.
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Die
Aufheizung von Heizelementen, wie sie zum Beispiel beim Erwärmen von
Flüssigkeiten
in Flüssigkeitsbehältern oder
bei Heizplatten stattfindet, erfolgt gemäß dem Stand der Technik mit
elektrischen Widerständen,
die durch einen durchgeleiteten Strom erhitzt werden. Beispiele
hierfür
sind eine elektrische Heizspirale, wie sie in Flüssigkeitsbehältern und
elektrisch beheizten Grillplatten angeordnet sind. Um ein Überhitzen
des Heizelementes zu vermeiden, wie es zum Beispiel beim Trockenlaufen oder
bei angesammeltem Kesselstein vorkommen kann, sind bisher bekannte
Heizelemente normalerweise mit einem getrennten Temperatursensor
ausgestattet, so dass der Strom durch das Heizelement begrenzt wird,
wenn die Temperatur zu hoch ansteigt. Der Nachteil der existierenden
Heizelemente besteht darin, dass diese normalerweise zum Heizen
in der Flüssigkeit
angeordnet sind, wodurch ein verhältnismäßig großes Risiko besteht, dass das Überhitzen nicht
erkannt wird und/oder dass getrennte Vorkehrungen getroffen werden
müssen,
um die Temperatur zu überwachen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Heizelement sowie ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, mit
denen die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden und die
Vorteile des Standes der Technik erhalten bleiben.
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Die
Erfindung schlägt
zu diesem Zweck ein Heizelement mit einem elektrischen Widerstand
vor, bei dem zwischen einer Heizfläche und dem elektrischen Widerstand
ein Dielektrikum angeordnet ist, und bei dem ein Strommeßgerät zum Messen
des Leckstromes durch das Dielektrikum vorgesehen ist. Das Strommeßgerät kann zu
diesem Zweck direkt mit dem Dielektrikum verbunden sein, es ist
jedoch auch möglich,
das Strommeßgerät mit dem
Dielektrikum elektrisch über ein
Heizmedium zu koppeln. Die Heizfläche ist hierbei vorzugsweise
aus einem Wärme
leitenden (und üblicherweise
auch elektrisch leitenden) Material hergestellt und elektrisch isoliert montiert,
oder zumindest derart isoliert montiert, dass ein Leckstrom durch
das Dielektrikum nur über
das Strommeßgerät abfließen kann.
Die Erdung des Heizelementes erfolgt in gleicher Weise nur über das Strommeßgerät, das zu
diesem Zweck so dimensioniert sein muss, dass sein Stromaufnahmevermögen genügend groß in Übereinstimmung
mit den gängigen
Normen (zum Beispiel IEC 60335) ist. Im Falle einer elektrisch leitenden
Heizfläche
ist es möglich, dass
das Strommeßgerät einen
Leckstrom durch das Dielektrikum durch direkten Anschluss an dieses feststellen
kann, oder wenn es isoliert montiert ist, kann es mit der Heizfläche verbunden
werden. Durch das Dielektrikum ist der elektrische Widerstand gegenüber der
Wand der Heizfläche
elektrisch isoliert. Ein vom Heizelement kommender Leckstrom fließt durch
das Dielektrikum, und der Strom hängt teilweise von dem Widerstand
des Dielektrikums ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Dielektrikum
mit einem Widerstand ausgestattet werden kann, der von der Temperatur
des Dielektrikums abhängt. Wenn
der Widerstand des Dielektrikums bei verschiedenen Temperaturen
bekannt ist, kann die Temperatur des Dielektrikums durch Feststellen
des Leckstroms bestimmt werden, zumindest dann, wenn die Spannung über dem
Heizelement im wesentlichen konstant oder bekannt ist. Der Leckstrom,
der in einfacher Weise mit einem Strommeßgerät festgestellt werden kann,
bildet somit einen Messwert, mit dem die Temperatur des Dielektrikums
und damit des Heizelementes und/oder des elektrischen Widerstandes
bestimmt werden kann. Ein zusätzlicher
Temperatursensor ist somit unnötig,
wobei das Heizelement mit einer Heizfläche in einfacher Weise montiert
werden kann, vorzugsweise in der Weise, dass das Heizelement auf
der entfernten Seite einer Heizfläche für Heizzwecke angeordnet wird.
Wenn das Heizelement mit einer Heizfläche aus elektrisch leitendem Material
hergestellt wird und gegenüber äußeren Teilen
elektrisch isoliert wird, kann der durch das Dielektrikum fließende Leckstrom
ebenfalls an der Heizfläche
oder an einem damit elektrisch verbundenen Teil gemessen werden.
In einer weiteren Variante steht die Heizfläche mit einer zu erwärmenden
Flüssigkeit in
Kontakt, wobei in diesem Fall der Leckstrom auch an dieser Flüssigkeit
gemessen werden kann (wobei die Flüssigkeit natürlich einen
zusätzlichen
Widerstand bildet). Die Flüssigkeit
kann auch dazu ausgenutzt werden, solch einen Flüssigkeitsbehälter zu
erden.
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Obwohl
in der französischen
Patentanmeldung FR-A-2 275 103 eine Heizvorrichtung beschrieben
wird, die aus einer Mehrzahl von Funktionsschichten einschließlich einer
dielektrischen Schicht besteht, so werden keine Hinweise gegeben,
ein Strommeßgerät mit dieser
Schicht zu verbinden, um das Erreichen einer vorbestimmten Temperatur
festzustellen. Die beschriebene Heizvorrichtung enthält eine
Isolierschicht, eine Metallschicht, eine dielektrische Schicht und
ein Heizelement. Um diese Schichten ist ein isolierender Dichtungsring
angeordnet.
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Obwohl
es aus der JP-A-59 204775 bekannt ist, den Leckstrom durch ein Dielektrikum
zu messen, bezieht sich diese Schrift auf eine Entladevorrichtung in
einer Vakuumkammer und nicht auf ein Heizelement.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der kapazitive Strom einer Stromquelle des elektrischen
Widerstandes in der Phase um 90° gegenüber der
Spannung über
dem elektrischen Widerstand verschoben. Wenn bei einer solchen Stromversorgung
der Zeitpunkt der Messung zum Zeitpunkt des maximalen Leckstroms
bestimmt ist, ist der kapazitive Strom gleich Null. Dies hat zur
Folge, dass die Messung des Leckstroms verhältnismäßig genau erfolgen kann, so
dass die Temperatur des Dielektrikums ebenfalls verhältnismäßig genau
bestimmt werden kann. Die Stromversorgung gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erhöht
also die Genauigkeit, mit der die Temperatur des Dielektrikums bestimmt
werden kann.
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Besonders
günstige
Resultate werden erreicht mit einem Dielektrikum, das aus Glaskeramik oder
kerdi® besteht,
das insgesamt weniger als 10 Gewichtsprozente Alkalimetalle enthält wie zum
Beispiel Natrium, Kalium und Lithium. Glaskeramik oder kerdi® mit
insgesamt mehr als 10 Gewichtsprozent Alkalimetalle kann jedoch
auch verwendet werden, wenn zum Beispiel ein Leckstrom bei Temperaturen niedriger
als 200°C
festgestellt werden soll. Glaskeramik oder kerdi® kann
in verhältnismäßig vorteilhafter
Weise auf eine Heizfläche
aufgebracht werden und kann auch eine sehr nutzungsresistente Form aufweisen.
Die Leitfähigkeit
des Dielektrikums kann auf einfache Weise bestimmt werden durch
Variieren des Alkalianteils des Glaskeramikmaterials oder des kerdi®-Materials
und/oder durch Zusetzen bestimmter Mengen einer oder mehrerer Additive
Zirkonoxid, Zirkonsilikat oder Quarz. Das Glaskeramikmaterial oder
das kerdi®- Material enthält vorzugsweise
insgesamt 1 bis 3 Gewichtsprozent Titanoxid oder Zinkoxid, was es
für höhere Leistungsdichten
besser geeignet macht. Die Verwendung solcher Additive für ein Dielektrikum
kann zum Beispiel dazu führen,
dass es für
höhere
Leistungsdichten geeignet ist und bei dem der Widerstand plötzlich bei
einer vorbestimmten Temperatur, beispielsweise im Bereich von 200 bis
250°C, scharf
abfällt.
Ein Überhitzen
(zum Beispiel durch Trockenlauf oder durch die übermäßige Ablagerung von Kesselstein)
des Heizelementes kann somit in deutlicher Weise festgestellt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Heizelement
mit einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten mit voneinander
abweichenden Eigenschaften ausgestattet sein, so dass verschiedene Temperaturbereiche
genau bestimmt werden können.
Diese Schichten können
zum Beispiel auf zwei Seiten gegenüber einer zu erhitzenden elektrischen Leiterbahn
angeordnet werden.
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Eine
besondere, bevorzugte Ausführungsform
des Heizelementes enthält
einen Schmelzwiderstand, der zum Beispiel durch einen verengten Bereich
mit kleinem Querschnitt gebildet wird. Sobald die Temperatur des
Heizelementes ansteigt, wird dieser verengte Bereich als erster
eine Unterbrechung erzeugen, wenn die Stromversorgung nicht begrenzt
wird, so dass die Stromversorgung und damit ein weiteres Aufheizen
unmöglich
wird. Der Schmelzwiderstand bietet also einen zusätzlichen Schutz
gegen Überhitzung,
wenn eine Begrenzung der Stromversorgung nicht schon vorher auf
der Basis des erhöhten
Leckstroms durch das Dielektrikum stattgefunden hat. Zusätzlich zu
der Ausführungsform
mit dem Schmelzwiderstand in Form eines verengten Bereiches sind
auch andere Ausführungsformen
denkbar wie zum Beispiel eine gelötete Stromzuführung mit
definiertem Schmelzpunkt, der niedriger liegt als der Schmelzpunkt
des verbleibenden Teils des elektrischen Widerstandes. Es ist auch möglich, das
Strommeßgerät zur Steuerung
des Heizelementes derart anzuschließen, dass die Stromversorgung
des Heizelementes reduziert oder unterbrochen wird, wenn ein vorbestimmter
Schwellwert des Leckstroms erreicht wird. Auf diese Weise kann eine übermäßige Überhitzung
verhindert werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf einen Flüssigkeitsbehälter, der
mit einem Heizelement der bereits beschriebenen Art ausgerüstet ist,
wobei der Flüssigkeitsbehälter als
Durchflusserhitzer ausgebildet ist wie zum Beispiel mit einem Rohr
oder einer Leitung. Es ist auch möglich, den Flüssigkeitsbehälter als
Kessel auszubilden, in dem eine ruhende oder bewegte Flüssigkeit
erhitzt wird. Elektrische Heizelemente können insbesondere in vorteilhafter
Weise in Kombination mit einem Flüssigkeitsbehälter benutzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Erfassen einer
Temperaturänderung in
einem Heizelement, das von einem elektrischen Widerstand gebildet
wird, indem ein Leckstrom gemessen wird, der von einem Dielektrikum
entladen wird, das zwischen einer Heizfläche und dem elektrischen Widerstand
des Heizelementes angeordnet ist. Der Leckstrom durch das Dielektrikum
kann hierbei an einer elektrisch leitenden Heizfläche gemessen
werden, die mit dem Dielektrikum über ein elektrisch leitendes
Medium, das erhitzt werden soll, verbunden ist, oder direkt an dem
Dielektrikum. Abhängig
von den Umständen,
unter denen das Verfahren angewandt wird, kann das unter den speziellen
Bedingungen am besten geeignete Messverfahren ausgewählt werden.
Die Vorteile der Anwendung dieses Verfahrens wurden bereits weiter
oben im Zusammenhang mit dem Heizelement und dem Flüssigkeitsbehälter gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
nicht einschränkenden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung und
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3 eine
schematische Darstellung der Kurve des Leckstroms durch ein Dielektrikum.
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1 zeigt
einen Flüssigkeitsbehälter 1 in Form
eines Durchlauferhitzers, der zum Beispiel aus einem elektrisch
leitenden Stahlrohr 2 besteht, das über Dichtungsringe 3 elektrisch
isoliert zwischen zwei Kunststoffbuchsen 4 montiert ist.
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Auf
der Außenseite
des Stahlrohrs 2 ist eine dielektrische Schicht 5 angeordnet,
die beispielsweise aus Glaskeramik, kerdi® oder
Emailleglasierung besteht. Auf der dem Stahlrohr 2 abgewandten
Seite der dielektrischen Schicht 5 ist eine elektrische
Leiterbahn 6 angeordnet, die Teil des Heizelementes ist. Durch
Zuführung
von elektrischer Leistung durch die Leiterbahn 6 werden
die dielektrische Schicht 5 und das Rohr 2 erhitzt,
und diese Wärme
wird anschließend
auf eine Flüssigkeit
im Flüssigkeitsbehälter 1 übertragen.
Wie oben beschrieben, fällt
der Widerstand der dielektrischen Schicht 5 scharf ab,
wenn eine vorbestimmte Temperatur überschritten wird. Durch Verbinden
eines geerdeten Strommeßgerätes 7 mit
dem Rohr 2 kann der vom Heizelement kommende Leckstrom
gemessen werden. Wird eine vorbestimmte Temperatur überschritten,
steigt der Leckstrom aufgrund des abfallenden Widerstandes der dielektrischen
Schicht 5 schart an, so dass dies durch das Strommeßgerät 7 festgestellt
werden kann. Zum Erden der Flüssigkeit
im Flüssigkeitsbehälter 1 sind Erdungselemente 8 durch
die Kunststoffbuchsen 4 geführt, so dass sie mit der Flüssigkeit
im Flüssigkeitsbehälter 1 in
Kontakt kommen können.
In dieser Figur ist nicht gezeigt, dass das Strommeßgerät 7 mit einer
Steuerung für
die Stromversorgung des Heizelementes 6 gekoppelt werden
kann.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen Wasserkessel 9, der mit einer
elektrisch leitenden Basisplatte 10 ausgerüstet ist.
Auf der dem Wasserkessel 9 abgewandten Seite ist die Basisplatte 10 mit einer
dielektrischen Schicht 11 versehen, auf der elektrische
Leiterbahnen 12 des Heizelementes auf der der Basisplatte
abgewandten Seite angeordnet sind. Für eine elektrisch isolierte
Montage der Basisplatte 10 im Wasserkessel 9 greifen
die Ränder
der Basisplatte 10 an einem elektrisch isolierenden Dichtungsring 13 an.
Dieser Dichtungsring 13 kann auch wahlweise weggelassen
werden, zum Beispiel wenn das Gehäuse des Wasserkessels 9 aus
elektrisch isolierendem Material hergestellt ist. Zum Erden der Flüssigkeit
im Wasserkessel 9 ist in der Nähe der Basisplatte 10 ein
elektrisch leitender Ring 14 vorgesehen, der über ein
Strommeßgerät 16 mit
der Erde 15 verbunden ist. Zum direkten Messen des Leckstroms durch
die dielektrische Schicht 11 ist ein geerdetes Strommeßgerät 16 mit
der Basisplatte 10 verbunden. Als (nicht gezeigte) Alternative
ist es auch möglich, ein
Strommeßgerät 16 direkt
mit der dielektrischen Schicht 11 zu verbinden, was zum
Beispiel notwendig ist, wenn die Basisplatte 10 aus elektrisch
nicht leitendem Material hergestellt ist. Gemäß einer weiteren Alternative
(ebenfalls nicht gezeigt) ist es möglich, den Leckstrom nur über den
elektrisch leitenden Ring 14 zu messen, in diesem Fall muss
der Leckstrom durch ein Medium im Wasserkessel 9 geführt werden.
Bezüglich
des Betriebes des Wasserkessels 9 wird auf die Betriebsweise
des Flüssigkeitsbehälters 1 gemäß 1 verwiesen.
Durch das Strommeßgerät 16 ist
es beispielsweise möglich,
festzustellen, dass der Wasserkessel 9 trocken läuft oder dass
sich eine vorbestimmte Menge an Kesselstein auf der Basisplatte 10 abgelagert
hat.
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Schließlich zeigt 3 eine
grafische Darstellung 17 des Leckstroms, bei der die Temperatur (T)
auf der waagerechten Achse gegenüber
dem Leckstrom (I) auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Es ist
zu sehen, dass der Leckstrom bis zu einem Punkt nahe einer vorbestimmten
Temperatur (X) begrenzt bleibt, und dass ab dieser Temperatur der Leckstrom
sehr schnell ansteigt. Der Anstieg des Leckstroms im Bereich der
Temperatur X hängt
mit dem schart abfallenden Widerstand des benutzten Dielektrikums
bei dieser Temperatur zusammen. Die Höhe der Temperatur X und die
Form der Kurve 17 werden durch die Zusammensetzung der
dielektrischen Schichten 5, 11 bestimmt. Insbesondere
bei der Anwendung zum Erwärmen
von Flüssigkeit
ist es durch die beschriebenen additiven Substanzen möglich, einen
scharfen Anstieg des Leckstroms im Bereich von 200 bis 250°C zu erreichen.
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Obwohl
die Erfindung im Zusammenhang mit nur wenigen Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist es klar, dass die Erfindung durch die beschriebenen
und dargestellten Ausführungsbeispiele nicht
eingeschränkt
wird. Die Erfindung kann auch auf Heizelemente angewendet werden,
die sich von den gezeigten Ausführungsbeispielen
dadurch unterscheiden, dass die Elemente nicht in Dickfilmtechnik hergestellt
sind. Ein Beispiel für
einen anderen Aufbau wäre
ein Heizelement, das aus einem elektrischen Heizdraht besteht, der
in einem Rohr angeordnet ist, das mit einem dielektrischen Material
gefüllt ist.
Das Dielektrikum kann zum Beispiel aus Magnesiumoxid bestehen. Für den Fachmann
sind viele andere Variationen innerhalb des Schutzbereiches denkbar,
der durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist.