DE60309050T2

DE60309050T2 - Verfahren und gerät für einen variablen resistor zur kompensierung von nichtlinearitäten in einem heizelementkreislauf

Info

Publication number: DE60309050T2
Application number: DE60309050T
Authority: DE
Inventors: Pete Mengtao Scottsdale HE; Carl Scottsdale Triplett; J. Mary Phoenix CONWAY; Michael Lafayette STRASSER; David Longmont RINALDIS
Original assignee: Dial Corp
Current assignee: Dial Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: MXPA05002260A; JP2005539350A; AU2003265638A1; AU2003265638B2; CN1323725C; EP1539257A1; ATE342069T1; US7002114B2; DE60309050D1; EP1539257B1; HK1081129A1; JP4235614B2; ES2274309T3; WO2004020006A1; US20040129695A1; CN1684715A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Steuerung von Heizelementen und insbesondere einen verbesserten Regelwiderstand, welcher derart konfiguriert ist, dass er Nicht-Linearitäten in einem Stromkreis, in dem ein Heizelement enthalten ist, zumindest teilweise kompensiert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um eine Regelung ohmscher Lasten zu ermöglichen ist es wünschenswert, relativ kompakte und einfache passive Komponenten zu verwenden. Es werden zum Beispiel häufig Regelwiderstände eingesetzt, um ein gewisses Maß der Steuerbarkeit von Heizelementen und dergleichen zu ermöglichen, welche üblicherweise in Reihenschaltung mit einer geeigneten Spannungsquelle konfiguriert sind. Auf diese Weise fungiert der Regelwiderstand wirkungsvoll als steuerbarer Spannungsteiler.
Mit einem Regelwiderstand, der selbst in einfachen Heizelementkreisen inhärent auftretende Nicht-Linearitäten kompensieren könnte, ließen sich gewisse Vorteile erzielen. Dies bedeutet, dass, da sowohl der Gesamtstrom durch das Widerstandsheizelement als auch die Spannung über dem Heizelement eine Funktion des regelbaren Widerstands sind, die Verlustleistung im Heizelement in nicht-trivialer Beziehung zur Stellung des Regelwiderstands steht. Dies kann bei zahlreichen Anwendungen unbefriedigend sein, bei denen der Verbraucher oder Benutzer die Erwartung hegt, dass die Anwendung, bei der der Regelwiderstand zum Einsatz kommt, bezüglich der Stellung des Regelwiderstands (z.B. eines Schiebeschalters, einer Drehscheibe, eines Drehknopfs oder einer anderen derartigen, mechanisch mit dem Regelwiderstand gekoppelten Schnittstelle) eine lineare Reaktion zeigen sollte.
Eine derartige Anwendung, bei der ein verbesserter Regelwiderstand vorteilhaft wäre, liegt auf dem Gebiet von Dampfabgabegeräten. Im allgemeinen weisen Erzeugnisse zur Abgabe von Dampf ein verflüchtigungsfähiges Material und ein Transportsystem auf, welches derart konfiguriert ist, dass es die Verdampfung des verflüchtigungsfähigen Materials in die Umgebungsluft erleichtert. Bei einigen Systemen ist beispielsweise eine Flüssigkeit in einer Vorratsbehälterflasche enthalten; bei anderen wiederum wird ein Wachsmaterial verwendet. Das Gehäuse, welches möglicherweise von einer Wandsteckdose wegragt (und dadurch die Spannungsquelle bereitstellen kann), erleichtert das Verdampfen des verflüchtigungsfähigen Materials an die Umgebung. Bei derartigen Geräten ist das Heizelement mit dem verflüchtigungsfähigen Material und/oder jedweden Dochten oder anderen Materialzuführkomponenten thermisch gekoppelt. In einem solchen Fall wäre es wünschenswert, dass die Verdampfungsgeschwindigkeit zumindest teilweise linear zur Stellung des Regelwiderstands ist. Beispiele bekannter Dampfzuführsysteme sind in den U.S.-Patenten US 6,289,176 und US 4,123,741 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Art und Weise, auf die sich die vorliegende Erfindung der Nachteile aus dem Stand der Technik annimmt, ist erst nachstehend ausführlicher erläutert. Allgemein jedoch stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Regelwiderstand zur Verfügung, welcher derart konfiguriert ist, dass er Nicht-Linearitäten in einem Stromkreis, welcher ein Heizelement, beispielsweise ein Dünnschichtheizelement, enthält, zumindest teilweise kompensiert. Unter Verwendung eines derartigen Widerstands stellt die Erfindung ein Abgabesystem gemäß Anspruch 1 zur Verfügung. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine steuerbare Heizung ein Heizelement, eine mit dem Heizelement verbundene Spannungsquelle (beispielsweise einen Standard-Wechselstromanschluss) sowie einen mit dem Heizelement und der Spannungsquelle verbundenen Regelwiderstand auf. Dabei weist der Regelwiderstand ein festes Widerstandselement (zum Beispiel einen oder mehrere Dünnschichtwiderstände) sowie ein bewegliches Element (zum Beispiel einen Schieberegler) auf. Dabei berührt das bewegliche Element das feste Widerstandselement an einem Kontaktpunkt, welcher dieser Stellung zugeordnet ist, so dass der Widerstand des Regelwiderstands in zumindest teilweise nicht-linearer Beziehung zu dieser Stellung steht, wobei jedoch die Verlustleistung des Heizelements in zumindest teilweise linearer Beziehung zur Stellung des Regelwiderstands steht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren verwiesen, in denen gleiche Bezugsziffern durchwegs gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1 einen Heizkreis, bei dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommen kann;
2 einen Graphen, der die Nicht-Linearität zwischen regelbarem Widerstand und Verlustleistung darstellt;
3 eine schematische Darstellung eines Heizelements und eines Regelwiderstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein festes Widerstandselement mit einem Paar Dünnschichtwiderständen mit variierenden Breiten;
5 eine isometrische Darstellung eines beispielhaften Dünnschichtwiderstands;
6 ein festes Widerstandselement mit einem Paar Dünnschichtwiderständen mit diskontinuierlich oder „abgestuft" verlaufenden Breiten;
7A–7D qualitative Graphen beispielhafter Verhältnisse zwischen Verlustleistung und Schiebeschalterstellung;
8 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems, bei dem eine steuerbare Heizvorrichtung in Verbindung mit einem Dampfabgabesystem gemäß vorliegender Erfindung zum Einsatz kommt;
9A und 9B Dünnschichtwiderstandselemente gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
Die nachstehende Beschreibung bezieht sich lediglich auf Ausführungsbeispiele der Erfindung und soll den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in keiner Weise begrenzen. Vielmehr soll die nachstehende Beschreibung auf praktische Weise veranschaulichen, wie sich diverse Ausführungsformen der Erfindung realisieren lassen. Es wird sich auch zeigen, dass diverse Änderungen an der Funktionsweise und der Anordnung der in diesen Ausführungsformen beschriebenen Elementen möglich sind, ohne dabei vom hierin ausgeführten Umfang der Erfindung abzuweichen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung lassen sich das hierin beschriebene Verfahren und die hierin beschriebene Vorrichtung zum Beispiel besonders sinnvoll bei Dampfabgabesystemen wie Geräten zur Verbesserung der Raumluft und dergleichen einsetzen. Ganz allgemein kann die vorliegende Erfindung jedoch bei jedweder Anwendung zum Einsatz kommen, für die eine steuerbare Wärmequelle, beispielsweise eine Wärmequelle auf Dünnschichtwiderstandsbasis, erforderlich ist.
1 zeigt einen beispielhaften Stromkreis 108 gemäß vorliegender Erfindung. Im allgemeinen ist eine Spannungsquelle 102 mit einer Spannung V (z.B. einer Gleichstrom- oder Wechselstromquelle) mit einem Widerstandsheizelement 106 (mit zugehöriger Spannung V_H und Widerstand R_H) und einem Regelwiderstand 104 (mit zugehöriger Spannung V_S und Widerstand R_S) in Reihe geschaltet. Ein Strom I spricht auf den Gesamtwiderstand der Schaltung, z.B. R_S + R_H, an.
Das Wesen dieser Schaltung ist derart, dass die Verlustleistung der Heizvorrichtung 106 in nicht-linearer Beziehung zum Widerstand des Regelwiderstands 104 steht. Dies ist dadurch bedingt, dass die Verlustleistung der Heizvorrichtung 106 eine Funktion des Gesamtstroms in der Schaltung sowie der über der Heizvorrichtung 106 liegenden Spannung ist, und diese beiden Werte eine Funktion des Widerstands des Regelwiderstands 104 sind. Insbesondere ist dabei die Verlustleistung P_H der Heizvorrichtung 106 gegeben durch: PH = IVH = I(V – VS) (1)während der Gesamtstrom der Schaltung gegeben ist durch:
Nach Einsetzen der Gleichung (2) in Gleichung (1) und Vereinfachen lässt sich die von der Heizvorrichtung erzeugte und abgestrahlte Leistung als inverses Polynom wie folgt ausdrücken:
Angesichts der relativen Komplexität von Gleichung (3) ist es schwierig, eine Verlustleistung P_H zu erzeugen, die sich mit der Stellung von Regelwiderstand 104 linear verändert. Unter Bezugnahme auf den qualitativen Graphen von 2 nimmt insbesondere die Verlustleistung der Heizvorrichtung 106 (Kurve 202) mit zunehmendem regelbarem Widerstand ab, wobei jedoch die Rate (oder Steigung) der Kurve ebenfalls abnimmt. Als solches ermöglichen geringe Widerstandswerte eine geringere (oder grobere) Regelung, und hohe Widerstandswerte ermöglichen eine größere (oder feinere) Regelung der Verlustleistung. Ähnlich verändert sich auch die Verlustleistung des Regelwiderstands 104 nicht-linear mit seinem eigenen Widerstandswert.
Die in 2 dargestellten Nicht-Linearitäten können dort zu unbefriedigenden Ergebnissen führen, wo der Benutzer ein lineares Verhalten der Steuerung erwartet. Genauer gesagt: Ein Regelwiderstand 104 kann üblicherweise einen Schiebeschalter, einen Drehknopf, eine Drehscheibe oder eine andere derartige Schnittstelle aufweisen, welche von einem Benutzer betätigt wird, um eine bestimmte Einstellung der Heizvorrichtung zu bewirken. Diese Einstellungen können in Form von Worten, Symbolen, Strichen oder anderen derartigen Markierungen angezeigt werden. Zum Beispiel kann ein „H" an einem Ende eines Schiebeschalters (oder einer Einstellung eines Drehknopfs) eine Einstellung „Hoch" anzeigen (d.h. einen niedrigen regelbaren Widerstandswert) und ein „N" kann am anderen Ende des Schiebeschalters oder Drehknopfs eine Einstellung „Niedrig" anzeigen (d.h. einen hohen regelbaren Widerstandswert). Unter der Annahme, dass der Widerstandswert R_S eine Funktion einer charakteristischen Strecke d entlang eines Schiebeschalters ist, so dass R_S = f(d), wobei d ein dimensionsloser Parameter im Bereich von 0 bis 1,0 ist, wird sich die Verlustleistung der Heizvorrichtung, wenn sich der Widerstandswert des Regelwiderstands linear mit der Stellung verändert, z.B.: RS = Rmaxd (4)wobei R_max der Maximalwiderstand des Geräts ist, ebenfalls nicht-linear mit der Einstellung des Schiebeschalters verändern.
Man betrachte zum Beispiel das System von 1, bei dem die Spannungsquelle 102 eine Standard-Spannungsquelle mit 115 V Wechselspannung ist, der Widerstand der Heizvorrichtung 106 einen relativ konstanten Wert von 4852 Ohm hat, und der Widerstand des Regelwiderstands 104 linear zwischen 8232,0 Ohm und 0,0 Ohm variiert, wenn der Schiebeschalter (oder eine andere Schnittstelle) aus einer Einstellung auf „Hoch" in eine Einstellung auf „Niedrig" bewegt wird. Unter Verwendung der obigen Gleichung (3) kann gezeigt werden, dass die Verlustleistung der Heizvorrichtung 106 dann zwischen 2,73 Watt und 0,37 Watt variiert. Der Mittelpunkt im Verlauf der Heizkurve, ((2,73 + 0,37)/2) = 1,55 Watt, tritt ungefähr am Dreiviertelpunkt am Schiebeschalter auf, näher an der Einstellung „Hoch" und nicht auf halber Strecke zwischen den Einstellungen „Hoch" und „Niedrig".
Gemäß vorliegender Erfindung weist jedoch ein Regelwiderstand ein festes Widerstandselement und ein bewegliches Element auf, welche derart konfiguriert sind, dass der Regelwiderstand einen Widerstand hat, der zur Stellung des Regelwiderstands in zumindest teilweise nicht-linearer Beziehung steht, und eine Verlustleistung hat, die zu dieser Stellung in zumindest teilweise linearer Beziehung steht.
Wie 3 zeigt, weist eine steuerbare Heizvorrichtung 300 geeigneterweise ein Heizelement 306 auf, das in Reihenschaltung mit einem Regelwiderstand 308 arbeitet. Ein Paar Anschlüsse 302 und 304 sind zum Anschluss an eine geeignete (nicht dargestellte) Stromquelle vorgesehen. Dabei weist der Regelwiderstand 308 ein bewegliches Element 310 und ein festes Widerstandselement 308 auf. Das bewegliche Element 310 (zum Beispiel ein leitendes Material wie Kupfer, Stahl oder dergleichen) ist derart konfiguriert, dass es sich seitlich am festen Widerstandselement 308 entlang aus einer niedrigen Einstellung 314 in eine hohe Einstellung 312 bewegt und das Widerstandselement 308 in Abhängigkeit von der Anzahl von Stellungen, die das bewegliche Element 310 einnehmen kann, an einem oder mehreren Punkten berührt. Dies bedeutet, dass sich das bewegliche Element 310 kontinuierlich am Widerstandselement 308 entlang bewegen kann, oder es mehrere diskrete definierte Stellungen an der Länge des Widerstandselements 308 entlang einnehmen kann. Zum Beispiel kann das bewegliche Element 310 einfach zwei diskrete Stellungen haben („Hoch" in Stellung 312 und „Niedrig" in Stellung 314), oder drei diskrete Stellungen (letztere Konfiguration mit einer weiteren Einstellung „Mittel" auf ungefähr halber Strecke zwischen den Stellungen 312 und 314), oder jedwede Anzahl diskreter Stellungen, die beliebig an der Länge des Widerstandselements 308 entlang definiert sind.
Obwohl das bewegliche Element 310 von 3 als Schiebeschalter dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Es können in Verbindung mit dem beweglichen Element 310 eine Vielzahl von Geräten und Schnittstellen verwendet werden, einschließlich diverser Drehschalter, Drehscheiben, Schrauben, Rändelräder sowie jedwede andere bereits bekannte oder noch zu entwickelnde derartige Komponente. Obwohl der Verlaufsweg des beweglichen Elements 310 als kartesisch dargestellt ist (d.h. eine Translationsbewegung entlang einer Linie), kann der Regelwiderstand 308 auch in einem Polarkoordinatenraum konfiguriert sein, z.B. als Drehscheibe mit einem beweglichen Element 310 eines gegebenen Radius, das sich um das Widerstandselement 308 herum dreht und dieses an mehreren charakteristischen Winkeln berührt. Eigentlich kann jedweder Verlaufsweg für das bewegliche Element 310 verwendet werden.
Das Heizelement 306 weist geeigneterweise eine oder mehrere Heizkomponente(n) auf, beispielsweise Dünnschichtwiderstände, Spulen und/oder dergleichen. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst das Heizelement 306 eine Schlangenlinienstruktur aus Dünnschichtwiderstandsmaterial. Der spezifische Widerstand und die geometrische Form des Heizelements 306, sowie der Bereich von Strömen, die durch die Bewegung des Elements 310 an das Heizelement 306 angelegt werden, können so gewählt werden, dass sie jedweden gewünschten Temperaturwertbereich ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Heizelement 306 die folgenden charakteristischen Wärmeeigenschaften: eine Temperatur von ca. 60°C (140°F) bis 71°C (160°F) bei Einstellung auf „Hoch", eine Temperatur von ungefähr 38°C (100°F) bis 54°C (130°F) bei Einstellung auf „Mittel" und eine Temperatur von ungefähr 43°C (110°F) bis 49°C (120°F) bei Einstellung auf „Niedrig".
Das feste Widerstandselement 308 umfasst einen oder mehrere Widerstandskomponente(n), beispielsweise Spulenwiderstände, Dünnschichtwiderstände oder jedwede andere gegenwärtig bereits bekannte oder noch zu entwickelnde Komponente. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Widerstandselement 308 zwei auf einem geeigneten Substrat 402 (z.B. einem Kunststoff- oder einem Leiterplattenmaterial) aufgebrachte Dünnschichtwiderstände 316 und 318 auf, die im Wesentlichen parallel von einem Ende 314 zum anderen Ende 312 konfiguriert sind. Es versteht sich jedoch, dass derartige Widerstandskomponenten in jedweder Anzahl und Kombination verwendet werden können.
Geeigneterweise umfassen Dünnschichtwiderstände 316 und 318 jedwedes geeignete Dünnschichtmaterial, einschließlich zum Beispiel IaN, NiCr, oder jedwedes andere, gemäß jedweder herkömmlichen oder noch zu entwickelnden Aufbringungstechnik auf dem Substrat 402 aufgebrachte Widerstandsmaterial.
Der Betrieb der in 3 gezeigten Ausführungsform ist wie folgt. Wird das bewegliche Element 310 (oder jede Art von Drehscheibe, Schiebeschalter oder andere Komponente, die mit dem Element 310 gekoppelt ist) am Widerstandselement 308 entlang positioniert (z.B. von einem Benutzer, der die Einstellung des Heizelements verändern möchte), dann berührt das bewegliche Element 310 dabei die Dünnschichtwiderstände 316 und 318 an einem entsprechenden Satz von Punkten, wodurch sich ein Stromkreis vom Anschluss 302, durch das Heizelement 306, durch das Segment des Dünnschichtwiderstands 308, durch das bewegliche Element 310 und das entsprechende Segment des Dünnschichtwiderstands 316 hindurch und zurück zum Anschluss 304 ergibt, welcher zusammen mit Anschluss 302 eine (nicht dargestellte) geeignete Spannungsquelle kontaktiert. Der Widerstand des Regelwiderstands 308 ist dann gleich der Summe der Widerstände der zwei Segmente von Dünnschichtwiderständen (316 und 318), die von den Berührungspunkten des beweglichen Elements 310 zur Einstellung „Hoch" 312 verlaufen.
Mit zunehmendem Widerstand des Regelwiderstands 308 verringert sich der Gesamtstrom durch den Stromkreis ebenso wie der Spannungsabfall über dem Heizelement 306. Folglich verringert sich die Verlustwärme des Heizelements 306. Auf diese Weise lässt sich die Verlustleistung des Heizelements 306 durch die Positionierung des beweglichen Elements 310 steuern.
Wie oben kurz erwähnt, stellt die vorliegende Erfindung einen Regelwiderstand mit einem Widerstand zur Verfügung, welcher zur Stellung des Regelwiderstands in zumindest teilweise nicht-linearer Beziehung steht, und mit einer Verlustleistung, die zur Stellung des Regelwiderstands in zumindest teilweise linearer Beziehung steht. Auf diese Weise kann der Regelwiderstand teilweise schaltungsinhärente Nicht-Linearitäten kompensieren. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere Attribut(e) des Dünnschichtwiderstands 316 und/oder 318 an dessen Länge entlang variiert werden, damit sich das gewünschte Verhältnis zwischen Stellung und Widerstand ergibt.
Zum Beispiel ist der Widerstand eines Segments aus Dünnschichtmaterial gegeben durch:
wobei p den spezifischen Widerstand der Dünnschicht in ohm-cm, d die Länge des Widerstands, w die Breite der Dünnschicht, und t die Dicke der Dünnschicht wie in 5 gezeigt bezeichnen. Es ist dann zweckmäßig, die Breite, Dicke und/oder den spezifischen Widerstand des Dünnschichtwiderstands über dessen Länge hinweg zu variieren.
Wie 4 zeigt, weist ein Regelwiderstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Paar Dünnschichtwiderstandssegmente 316 und 318 mit variierenden Breiten auf einem Substrat 402 auf. Das bewegliche Element 310 kann in einem Abstand x zwischen Enden 312 und 314 der Dünnschichtwiderstände angeordnet sein, welche eine Gesamtlänge L haben. Ein dimensionsloser Parameter d = x/L bezeichnet die relative Stellung von Element 310 von „Hoch" nach „Niedrig".
Der kombinierte Widerstand der Dünnschichtwiderstandssegmente 316 und 318 ist. gleich dem Integral des in der oben aufgeführten Gleichung (5) angegebenen Verhältnisses über die Länge der vom beweglichen Element 310 berührten Widerstandselemente hinweg, d.h.:
Unter Verwendung von Gleichung (6) kann die Breitefunktion w(x) dafür gewählt werden, ein geeignetes Verhältnis zwischen der Schiebeschalterstellung (d.h. der Stellung des beweglichen Elements 310) und der Verlustleistung anzugeben. In dieser Hinsicht kann w(x) eine stetige Funktion wie in 4 gezeigt sein, oder aber auch eine unstetige Funktion. Wie beispielsweise 6 zeigt, können die Widerstandselemente 316 und 318 in einer „treppenstufenartigen" Konfiguration geformt sein, die durch eine Reihe mehrerer zusammenhängender Rechteckformen gekennzeichnet sind, die sich vom einen Ende (312) zum anderen Ende (314) erstrecken. Bei der dargestellten Ausführungsform können die Dünnschichtwiderstände 316 und 318 zum Beispiel jeweils vier diskrete Breiten an diversen Stellen entlang ihrer Längen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der regelbare Widerstand proportional zur Quadratwurzel der Schiebeschalterstellung, z.B. R_S = R_max√d. In einem bestimmten Kontext können diverse andere mathematische Verhältnisse erwünscht sein, einschließlich z.B. einer logarithmischen Funktion, einer Polynomfunktion, oder einer Kombination daraus. Alternativ lässt sich die Breite der diversen Dünnschichtwiderstände empirisch und/oder unter Verwendung iterativer Techniken wie der Finite-Elemente-Analyse bestimmen. Ferner können die diversen Dünnschichtwiderstände in situ mit einem Laser zurechtgeschnitten werden, um ihre charakteristischen Merkmale weiter individuell anzupassen.
Obwohl die in den 4 und 6 gezeigten Ausführungsformen Dünnschichtwiderstände mit im Wesentlichen identischen Formen darstellen, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch Ausführungsformen berücksichtigt, bei denen sich die Dünnschichtwiderstände in ihrer Form und Art unterscheiden.
Zum Beispiel kann ein Dünnschichtwiderstand 316 eine Reihe diskreter Breiten haben, während gleichzeitig der Dünnschichtwiderstand 318 eine sich kontinuierlich verändernde Breite hat. Des weiteren kann, wie die 9A und 9B zeigen, der Dünnschichtwiderstand jedwede Anzahl geometrischer Variationen einschließen, mit denen sich die gewünschte Widerstandsveränderung herbeiführen lässt. Wie es in 9A zu sehen ist, kann beispielsweise der Dünnschichtwiderstand 316 eine Schlangenlinienstruktur aus Dünnschichtmaterial umfassen, wobei er eine kleiner werdende Zwischenräume aufweist. Wie 9B zeigt, können alternativ die Formen eines oder mehrerer der Dünnschichtwiderstände auch dahingehend modifiziert werden, dass sich aus dem geometrischen Verhältnis zwischen den beiden Kurven das gewünschte Verhältnis zwischen der Stellung des beweglichen Elements 310 und dem Gesamtwiderstand ergibt. Bei der dargestellten Ausführungsform weicht zum Beispiel das Dünnschichtwiderstandselement 318 gemäß einer Exponential- oder Polynomfunktion vom Element 318 ab.
Die Konfiguration der Dünnschichtwiderstände 316 und 318 kann derart gewählt werden, dass sich eine Leistungs-/Stellungs-Kurve ergibt, die in mehrfacher Hinsicht zumindest teilweise linear ist. Nunmehr bezugnehmend auf die beispielhaften Kurven der 7A–7D kann das feste Widerstandselement derart konfiguriert sein, dass sich jedwedes geeignete Verhältnis zwischen Verlustleistung und Schiebeschalterstellung ergibt. Wie beispielsweise 7A zeigt, kann zum Beispiel die Leistungs-/Positions-Kurve 702 innerhalb ihres Betriebsbereichs im Wesentlichen linear sein. D.h. während die obige Gleichung (3) an sich nicht-linear ist, so ist sie doch stetig, und lässt sich daher (durch Wahl eines geeigneten Verhältnisses für R_S) derart manipulieren, dass eine Kurve entsteht, die innerhalb eines gewünschten Bereichs ein lineares Erscheinungsbild hat.
7B zeigt eine Ausführungsform, bei der die Leistungs-/Positions-Kurve nicht-linear ist, sondern einen vorbestimmten Punkt 704 entsprechend einer Verlustleistung 712 und einer Schiebeschalterstellung 710 einschließt, der im Wesentlichen mit dem gewünschten linearen Verhältnis zusammenfällt. D.h. – wie 7B zeigt – der Punkt in der Mitte für die Verlustleistung (712) entspricht dem Punkt in der Mitte für die Schiebeschalterstellung (710), auch wenn die Kurven 706 und 708 auf beiden Seiten von Punkt 704 nicht-linear sind. Diese Ausführungsform ist bei Systemen mit den Einstellungen „Hoch", „Niedrig" und „Mittel" besonders wünschenswert.
Wie 7C zeigt, kann die Kurve alternativ auch insofern unstetig sein, als dass sie mehrere nicht-lineare Segmente 714 aufweist, die durch Unstetigkeiten 716 voneinander getrennt sind. Die in 6 dargestellte Ausführungsform kann derart konfiguriert sein, dass sie ein solches Verhältnis aufweist. Ähnlich kann, wie 7D zeigt, die Kurve auch dahingehend unstetig sein, als dass sie mehrere diskrete Bereiche 718 konstanter Leistung aufweist, welche durch Unstetigkeiten 720 voneinander getrennt sind.
Während die in den 7A–7D gezeigten Kurven monoton abfallen, wird gemäß vorliegender Erfindung auch erwogen, dass die Verlustleistung in einem oder mehreren Bereichen der Kurve sogar kurz ansteigen könnte. Solange der Graph der Verlustleistung insofern zumindest teilweise linear ist, als dass das System in einem bestimmten Bereich oder für bestimmte Werte im Wesentlichen lineares Verhalten zeigt, so bedeutet dies, dass der Regelwiderstand derart konfiguriert werden kann, dass die Verlustleistung eine periodische oder anderweitig nicht-monotone Eigenschaft hat.
8 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer Anwendung der vorliegenden Erfindung, bei der ein verflüchtigungsfähiges Material wie ein Öl, Wachs oder dergleichen über ein beispielhaftes Materialzuführsystem 800 an eine Umgebung 808 abgegeben wird. Wie darin gezeigt ist, kann das Materialzuführsystem 800 geeigneterweise einen Dochtaufbau 804 umfassen, der mit verflüchtigungsfähigem Material 802 verbunden ist, und fakultativ einen Entlüftungsaufbau 806. Der Entlüftungsaufbau 804 ist thermisch mit einem Heizelement 106 gekoppelt (z.B. jedem beliebigen der diversen, oben beschriebenen Widerstandselemente), dessen Temperatur auf geeignete Weise über einen Regelwiderstand 104 gesteuert wird. Das Heizelement 106 ist elektrisch an eine Stromquelle 102 angeschlossen, wobei diese Stromquelle 102 jede beliebige Spannungs- bzw. Stromquelle umfasst, die den erforderlichen Strom bzw. die erforderliche Spannung für das oben beschriebene Heizelement 106 zu liefern in der Lage ist. Geeignete Stromquellen sind beispielsweise haushaltsübliche Standard-Wechselstromsteckdosen, eine oder mehrere Batterien, Solarstrom etc.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform bilden das Materialzuführsystem 800 und das verflüchtigungsfähige Material 802 eine in sich abgeschlossene Einheit mit einem oder mehreren Steckern, die derart konfiguriert sind, dass sie sich an eine Stromsteckdose, zum Beispiel einen Zweifach-Wechselstromanschluss, anschließen lassen. Das Heizelement 106 empfängt dann indirekt Strom von der Wechselstromsteckdose – d.h. über geeignete feste und/oder regelbare Widerstände. Es können ein oder mehrere schmelzbare Sicherungseinsätze im Stromkreis vorgesehen sein, um eine mögliche Beschädigung aufgrund von Überlaststrombedingungen zu verhindern.
Ferner weist der Dochtaufbau 804 gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Ausströmpad (oder einfach „Pad") auf, der aus dem selben Material, wie es auch für andere Komponenten des Dochtaufbaus 804 verwendet wurde, bestehen kann oder auch nicht. Dieser Ausströmpad ist thermisch mit einem Dünnschichtwiderstandselement gekoppelt, welches den Ausströmpad auf einen Bereich von Oberflächentemperaturen zu erwärmen in der Lage ist. Dabei kann die Wärmekopplung zwischen Dochtaufbau 804 und das Heizelement 106 in Form von Wärmeleitung, Wärmekonvektion, Wärmestrahlung oder einer Kombination daraus stattfinden. Bei einer Ausführungsform erfolgt zum Beispiel die Wärmeübertragung zwischen dem Dochtaufbau 804 und dem Heizelement 106 größtenteils durch Wärmeleitung. Genauer gesagt kann der Dochtaufbau 804 das Heizelement 106 direkt berühren (beispielsweise durch einen Passsitz und/oder eine Drucklast), oder er kann über eine oder mehrere Zwischenschichten aus Kunststoff oder einem anderen Material mit dem Heizelement 106 wärmegekoppelt sein.
Zusammenfassend ausgedrückt stellt die vorliegende Erfindung. Verfahren und eine Vorrichtung für einen verbesserten Regelwiderstand zur Verfügung, welcher derart konfiguriert ist, dass er Nicht-Linearitäten in einem Stromkreis, welcher ein Heizelement enthält, zumindest teilweise kompensiert.
Die vorliegende Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf diverse Ausführungsbeispiele beschrieben. Es sind jedoch zahlreiche Änderungen, Kombinationen und Modifikationen an den Ausführungsbeispielen möglich, ohne dafür vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel lassen sich die diversen Komponenten auf alternative Weise realisieren. Diese Alternativen können in Abhängigkeit vom bestimmten Anwendungsfall oder unter Berücksichtigung jedweder Anzahl von Faktoren im Zusammenhang mit dem Betrieb des Systems geeignet ausgewählt werden. Außerdem lassen sich die hierin beschriebenen Techniken zur Verwendung mit anderen Arten von Geräten auch erweitern oder modifizieren.

Claims

Dampfabgabesystem zum Abgeben eines verdampften Materials mit einer steuerbaren Heizvorrichtung, umfassend: ein Heizelement (106); eine Dampfabgabevorrichtung (804), die thermisch mit dem Heizelement verbunden ist; eine Spannungsquelle (102), die mit dem Heizelement verbunden ist; einen Regelwiderstand (104), die mit dem Heizelement und der Spannungsquelle verbunden ist, wobei der Regelwiderstand ein festes Widerstandselement (308) und ein bewegliches Element (310) enthält, wobei das bewegliche Element eine Position aufweist und das feste Widerstandselement verstellbar an einem Kontaktpunkt berührt, welcher der Position zugeordnet ist; wobei das feste Widerstandselement eine Länge aufweist und einen ersten Dünnschichtwiderstand (316) und einen zweiten Dünnschichtwiderstand (318) umfasst, der im Wesentlichen parallel zu dem ersten Dünnschichtwiderstand angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Dünnschichtwiderstand eine Breite aufweisen, die nicht-linear über die Länge hinweg variiert; wobei der Regelwiderstand einen Widerstand aufweist, der wenigstens teilweise in nicht-linearer Beziehung zu der Position steht; wobei das Heizelement eine Verlustleistung aufweist, die wenigstens teilweise in linearer Beziehung zu der Position steht, wobei die Verlustleistung wenigstens teilweise in linearer Beziehung zu einer Temperatur des Heizelements steht, wobei die Dampfabgabevorrichtung dafür konfiguriert ist, Dampf in eine Umgebung (808) mit einer Rate freizusetzen, die in Abhängigkeit zu der Verlustleistung steht.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (106) einen Dünnschichtwiderstand umfasst.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 2, wobei das Heizelement (106) einen Dünnschichtwiderstand umfasst, der eine Schlangenlinienstruktur aufweist.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei die Spannungsquelle (102) eine Wechselspannungsquelle umfasst.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (310) eine Komponente umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus einem Schiebeschalter, einer Drehscheibe, einem Drehknopf, einer Schraube und einem Rändelrad ausgewählt ist.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite Dünnschichtwiderstand (316, 318) ein erstes Ende, ein zweites Ende und ein Attribut aufweist, das nicht-linear zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende variiert, wobei das Attribut ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Breite, Dicke, Material und Flächenwiderstand.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei die Breite kontinuierlich über die Länge entsprechend einer geometrischen Funktion variiert, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Quadratwurzelfunktion, einer logarithmischen Funktion und einer polynominalen Funktion.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei die Breite entsprechend einer Periode diskreter Schritte variiert.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (310) eine hohe Position (312), eine niedrige Position (314) und wenigstens eine Zwischenposition zwischen der hohen und der niedrigen Position aufweist und wobei die Verlustleitung in der hohen, der niedrigen und der Zwischenposition eine im Wesentlichen lineare Kurve definiert.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (106) von dem Typ ist, der durch einen Widerstand RH und eine Verlustleistung PH = IVH gekennzeichnet ist, wobei I der Strom durch das Heizelement ist und VH die am Heizelement anliegende Spannung ist, wobei das bewegliche Element (310) eine Position x aufweist, die das feste Widerstandselement (308) verstellbar an einem Kontaktpunkt berührt, welcher der Position x zugeordnet ist; wobei das feste Widerstandselement einen Widerstand RS(x) aufweist; wobei die Verlustleistung PH durch die Gleichung
zu RS(x) in Beziehung steht, wobei V die von der Spannungsquelle (102) abgegebene Spannung ist; und wobei RS(x) eine nicht-lineare Funktion ist und PH(x) wenigstens teilweise linear ist.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 10, wobei R_s(x)∝√x/L und L die Länge des festen Widerstandselements (308) ist.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 10, wobei das feste Widerstandselement (308) zwei im Wesentlichen parallele Dünnschichtwiderstände (316, 318) umfasst, die Breiten w aufwiesen, die nicht-linear als eine Funktion von x variieren.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 12, wobei R_s(x)∝√x/L und L die Länge des festen Widerstandselements (308) ist.
Dampfabgabesystem nach Anspruch 10, wobei das bewegliche Element (310) eine hohe Position X_hoch (312), eine niedrige Position X_niedrig (314) und wenigstens eine Zwischenposition aufweist, wobei die Verlustleistung P_H einen Kurvenverlauf hat, der im Wesentlichen eine Linie, die durch (X_hoch, PH(X_hoch)) und (X_niedrig, PH(X_niedrig)) definiert ist, an drei Punkten entlang dem Kurvenverlauf schneidet.