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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrisch beheizte
Wassererhitzer. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte
Verfahren und Vorrichtungen zum Erhitzen von Wasser in derartigen
Wassererhitzern. Vor allem betrifft die Erfindung Verfahren und
Vorrichtungen zum gepulsten Zuführen
elektrischer Energie zu einem elektrischen Widerstandsheizelement
derart, dass der Erhitzungswirkungsgrad des Heizelementes in einem Wassererhitzer
erhöht
wird.
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In
der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe von häuslichen
Wassererhitzern verwendet, in denen das Wasser durch elektrische
Widerstandsheizelemente erhitzt wird. Die Beschreibung sowie die
Verbesserungen gemäß der vorliegenden
Erfindung betreffen hauptsächlich
Wassererhitzer, die elektrische Widerstandsheizelemente verwenden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Heißwassererhitzer
weist, wie hier erwähnt
wird, typischerweise einen ständig
geschlossenen, senkrecht angeordneten zylindrischen Wassertank,
einen zylindrischen Mantel, der koaxial mit dem Wassertank und radial
im Abstand von diesem angeordnet ist, um einen ringförmigen Raum
zwischen der Außenwand
des Wassertanks und der Innenwand des Mantels zu bilden, und Dämmstoff
in mindestens einem Teil des ringförmigen Raumes zur Bildung einer
Wärmeisolierung
für den
Wassertank auf. Ein direkt im ringförmigen Raum geschäumter Polymerschaum
ist ein wirksamer Dämmstoff.
Im ringförmigen
Raum reagieren üblicherweise
insbesondere Polyol und Isocryanatreaktante mit Schaumbildnern,
um Polyurethanschaum zu bilden, der sich leicht ausdehnt, um den
zur Verfügung
stehenden Raum zu füllen,
und der schnell zu einem harten, Schaumdämmstoff mit geschlossenen Zellen
aushärtet.
Zum Eingrenzen des ausgedehnten Schaums im ringförmigen Raum sind Mittel, wie
Schaumbarrieren, vorgesehen.
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Der
Wassertank hat verschiedenes Zubehör, wie Einlass-, Auslass- und
Abflussarmaturen. Insbesondere ist der Wassertank mit Wassererhitzungsmitteln
und Temperaturregelungsmitteln versehen. Kennzeichnend für elektrisch
beheizte Wassererhitzer weisen die Wassererhitzungsmittel ein elektrisches
Widerstandsheizelement auf. Das Heizelement erstreckt sich durch
eine Armatur in der Wand des Wassertanks derart hindurch, dass sich
das Widerstandsheizelement im Tank befindet und Mittel zum Anschließen des
Widerstandsheizelements an eine elektrische Energiequelle sich außerhalb
des Wassertanks befinden.
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Die
Temperaturregelungsmittel für
einen elektrisch beheizten Wassererhitzer weisen üblicherweise
einen mechanischen Temperaturregler auf, der einen Schalter betätigt, um
zu erreichen, dass die elektrische Energie dem elektrischen Widerstandsheizelement
zugeführt
wird, wenn festgestellt wird, dass die Temperatur des Wassers im
Tank unterhalb eines ausgewählten
Temperatursollwertes liegt, und den Schalter betätigt, um zu erreichen, dass
die dem elektrischen Widerstandsheizelement zugeführte elektrische
Energie abgeschaltet wird, wenn die Wassertemperatur im Tank dem
Temperatursollwert entspricht oder darüber liegt. Mit solchen Temperaturregelungsmitteln
wird die dem elektrischen Widerstandsheizelement zugeführte elektrische
Energie entweder vollständig
eingeschaltet, wobei ein maximaler elektrischer Strom fließt, oder
vollständig
abgeschaltet.
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Die
mechanischen Thermostate, die gewöhnlich für Wassererhitzer verwendet
werden, weisen ein Bimetallplättchen
auf, das mit der Außenwand
des Wassertanks in Berührung
steht, um die Wassertemperatur im Wassertank zu erfassen. wenn das
Bimetallplättchen
kälter
als die Solltemperatur ist, ist es flach. Bei der Solltemperatur
schnappt das Bimetallplättchen
jedoch in eine konvex gewölbte Form,
die das Plättchen
beibehält,
bis es auf eine Temperatur unterhalb des Sollwertes abgekühlt. Bei einer
Temperatur unterhalb des Sollwertes schnappt das Bimetallplättchen wieder
in die flache Form zurück.
Die mechanische Hysterese des Bimetallplättchens verursacht, dass die
Temperatur, bei der das Plättchen
wieder in eine flache Form zurückschnappt,
wesentlich niedriger (5 bis 10°C)
als die Solltemperatur ist, bei der das Bimetallplättchen in die
konvex gewölbte
Form schnappt. Das Bimetallplättchen
ist mittels einer elektrisch isolierten Schubstange mit einem elektrischen
Schalter in einem Phenolharzgehäuse
verbunden, das an der Außenwand des
Wassertanks befestigt ist. Der elektrische Schalter ist in einer
elektrischen Leitung eingeschaltet, die das elektrische Widerstandsheizelement
mit einer elektrischen Energiequelle verbindet.
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Zur
manuellen Einstellung der Spannung des Bimetallplättchens
ist im Gehäuse
in Berührung mit
dem Bimetallplättchen
ein Gewindebolzen derart angeordnet, dass das Bimetallplättchen so
eingestellt werden kann, dass es bei der gewünschten Sollwerttemperatur
von der flachen Form in die konvex gewölbte Form schnappt.
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Wenn
das Bimetallplättchen
eine niedrige Wassertemperatur ermittelt und das Plättchen eine flache
Form aufweist, schließt
die Schubstange den elektrischen Schalter und ermöglicht,
dass die elektrische Energie durch das elektrische Widerstandsheizelement
fließt
und somit das Was ser im Wassertank erhitzt. Wenn sich das Wasser
erhitzt, schnappt das Bimetallplättchen
bei der Solltemperatur in die konvex gewölbte Form und die Schubstange öffnet den
elektrischen Schalter und schaltet die dem elektrischen Widerstandsheizelement
zugeführte
Energie ab. Der elektrische Schalter bleibt offen und die Energie
bleibt abgeschaltet, bis das Wasser im Tank in ausreichendem Maße abgekühlt ist,
damit das Plättchen
wieder in die flache Form schnappt und somit den elektrischen Schalter
schließt
und es damit ermöglicht,
dass die elektrische Energie durch das elektrische Widerstandsheizelement
fließt.
Die elektrische Energie ist entweder mit voller Kapazität an- oder
vollständig
abgeschaltet.
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Infolge
von Schwankungen bei der Herstellung und der Hysterese des Bimetallplättchens
kann die Temperatur, bei der das Plättchen, von einer flachen Form,
in eine konvex gewölbte
Form schnappt, um bis zu 14°C
(25°F) variieren.
Mit dem Gewindebolzen kann zur Einstellung der Solltemperatur, bei der
das Bimetallplättchen
von einer flachen Form in eine konvex gewölbte Form schnappt, das Bimetallplättchen vorgespannt
werden. Der Gewindebolzen ist nicht kalibriert und Einstellungen
der Vorspannung zum Erreichen einer Aktivität des Bimetallplättchens bei
einer ausgewählten
Solltemperatur werden durch ein Probierverfahren (trial and error)
durchgeführt. Eine
mechanische Temperaturregelung, die ein bimetallisches scheibenförmiges Thermoelement
verwendet, wird oft die gewünschte
Solltemperatur überschreiten
und es dadurch erlauben, dass das elektrische Widerstandsheizelement
das Erhitzen des Wassers im Wassertank über die gewünschte Solltemperatur hinaus
fortsetzt.
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Die
oben beschriebenen mechanischen Temperaturregelungsmittel sowie
das elektrische Widerstandsheizelement stehen in Kontakt mit der
Außenwand
des Wassertanks und er strecken sich in den ringförmigen Raum zwischen der Außenwand des
Wassertanks und dem Mantel hinein. Diese Bauteile müssen für Wartungsarbeiten
zugänglich
sein. Eine oder mehrere Öffnungen
in der Wand des Mantels ermöglichen
den Zugang zu den Temperaturregelungsmitteln und dem elektrischen
Widerstandsheizelement. Rund um jede Öffnung ist eine Barrierestruktur
vorgesehen, die zum Schutz der Temperaturregelungsmittel und des
elektrischen Widerstandsheizelements vor der Berührung mit dem Isolierschaum
sowie zum Verhindern eines Austritts des Schaums aus dem ringförmigen Raum
durch die Öffnungen
in der Mantelwand dient.
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Elektrisch
beheizte Wassererhitzer sind mit Sicherheitseinrichtungen ausgestattet.
Ein Hochtemperatur-Sicherheitsabsperrschalter ist in der elektrischen
Stromleitung eingeschaltet, die die Energiezufuhr zum elektrischen
Widerstandsheizelement abschaltet, wenn die Temperatur im Wassertank
einen Sicherheitswert überschreitet.
Der Wassertank ist auch mit einem Hochtemperatur-Sicherheitsventil versehen,
das derart eingestellt ist, dass es ungefähr im Wassersiedepunkt (100°C) öffnet, um
einen durch Siedewasser verursachten Druckanstieg im Wassertank
zu verhindern.
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Das
US-Patent Nr. 4,978,833 offenbart einen Heißwasserspender, der einen Heißwasserbehälter, ein
durch den Benutzer betätigbares
Absperrorgan zum Ablassen von Heißwasser aus einem Ablassbereich
in der Nähe
des oberen Teils des Behälters,
und ein elektromagnetisch betätigbares
Ventil zum Zuführen
von nicht erhitztem Wasser zu einem Einlassbereich am Behälterboden
aufweist. Ein Einlassstromregler stellt die Einlassstromgeschwindigkeit
derart ein, dass sie niedriger ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Absperrorgans,
um das am Absperrorgan entnehmbares Heißwasservolumen zu maximieren.
Ein elek trisches Widerstandsheizelement im Behälter wird durch eine reihengeschaltete Schalteinrichtung
mit Wechselstrom gespeist, die entsprechend der Wassertemperatur,
die am Absperrorgan mittels eines Sensors ermittelt wird, periodisch
umgeschaltet wird, um eine gleichbleibende Abgabetemperatur aufrechtzuerhalten.
Die Schalteinrichtung ist mit dem Boden des Behälters derart thermisch gekoppelt,
dass der Behälter
als eine Wärmesenke
wirkt, um die während
des Umschaltens erzeugte Wärme
abzuführen.
Eine Anzeigelampe, die durch den Sensor angesteuert wird, zeigt
dem Benutzer, dass die Abgabetemperatur innerhalb eines vorgegebenen
Bereichs liegt. weiterhin reagiert eine Schaltung in einem Modul
auf den temperaturabhängigen
Widerstand des Thermistors, indem sie die Stromzufuhr zum elektrischen
Widerstandsheizelement periodisch ein- und ausschaltet. Die Umschaltgeschwindigkeit
hängt von
der ermittelten Temperatur ab. Zum Beispiel verursacht eine Temperatur,
die mehr als 2,78°C
(5°F) unterhalb
der ausgewählten Temperatur
liegt, eine ständige
Stromzufuhr zum Heizelement (d. h. einen 100%-igen Arbeitszyklus), während eine
Temperatur innerhalb des 2,78°C- (5°F-) Bereichs
der ausgewählten
Temperatur eine Stromzufuhr zum Heizelement für einen kürzen Zeitraum verursacht, der
bei der ausgewählten
Temperatur auf ca. 10% fällt.
Wenn die durch den Thermistor ermittelte Wassertemperatur höher als
die gewünschte
Temperatur ist, wird das Widerstandsheizelement nicht mit Strom
versorgt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erhitzen von
Wasser in einem Wassererhitzer vom Speichertyp nach Anspruch 1 vorgeschlagen,
während
gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ein Wassererhitzer vom Speichertyp
vorgeschlagen wird, der im Anspruch 4 der angehängten Ansprüche definiert ist.
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Bei
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird die einem elektrischen Widerstandsheizelement
eines Wassererhitzers zugeführte
elektrische Energie dadurch moduliert, dass die elektrische Energie
während
des Wassererhitzungszyklus in kurzen Impulsen oder Stößen zugeführt wird.
Die Modulation der zum Wassererhitzen benötigten elektrischen Energie
erhöht
den Wirkungsgrad des Wassererhitzens im Wassererhitzer. Die Zufuhr
der elektrischen Energie zum elektrischen Widerstandsheizelement
in kurzen Impulsen oder Stößen ermöglicht es,
dass die gleiche Wassermenge auf die gewählte Temperatur mit der im
Wesentlichen gleichen Geschwindigkeit wie bei einem mechanischen
Temperaturregler nach de Stand der Technik erhitzt wird, wobei jedoch
nun wesentlich weniger elektrische Energie zum Erhitzen des Wassers
verwendet wird. Der elektrische Heißwassererhitzer, der zum Erhitzen und
zum Speichern von Wasser in einer typischen Hausinstallation verwendet
wird, stellt oft die größte einzelne
elektrische Energieverbraucher dar. Die Verwendung einer wesentlich
niedrigeren elektrischen Energiemenge stellt somit eine signifikante Energie-
und Kosteneinsparung dar.
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Ein
bevorzugter Weg der Modulation der dem elektrischen Widerstandsheizelement
zugeführten
elektrischen Energie in kurzen Stößen besteht in der Verwendung
einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung. Eine Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
ist eine elektronische Einrichtung, die die Wassertemperatur im
Tank des Wassererhitzers ermittelt und die dem elektrischen Widerstandsheizelement
zugeführte
elektrische Energie in Abhängigkeit
von der Abweichung der Wassertemperatur von der ausgewählten Solltemperatur
steuert. Die Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung moduliert
die dem elek trischen Widerstandsheizelement zugeführte elektrische
Energie durch Bereitstellen der elektrischen Energie in Zyklen,
wobei jeder Zyklus die Zufuhr der elektrischen Energie in einem
kurzen Stoß beinhaltet,
dem ein kurzer Zeitabschnitt folgt, während dessen keine Zufuhr von
elektrischer Energie erfolgt. Wenn die Abweichung zwischen der Wassertemperatur
im Wassertank und der ausgewählten
Solltemperatur groß ist,
ist der Zeitabschnitt in jedem Zyklus, während dessen die elektrische
Energie zugeführt
wird, im Vergleich mit dem Zeitabschnitt, während dessen keine elektrische
Energie zugeführt
wird, lang. Wenn sich die Wassertemperatur der ausgewählten Solltemperatur
nähert,
wird der Zeitabschnitt in jedem Zyklus, während dessen die elektrische
Energie dem Widerstandsheizelement zugeführt wird, kürzer. Die Zeitdauer jedes Zyklus kann
eingestellt werden und beträgt
typischerweise weniger als eine Sekunde. Typischerweise wird auch der
Zeitabschnitt jedes elektrischen Stoßes während eines Zyklus von ungefähr 95% auf
ungefähr
50% der Zykluszeitdauer gekürzt,
wenn sich die Wassertemperatur der Solltemperatur nähert.
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Wenn
die Wassertemperatur die Solltemperatur erreicht, schaltet die Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
die Zufuhr der elektrischen Energie zum Widerstandsheizelement vollständig ab.
Anschließend,
wenn die Wassertemperatur unter die Solltemperatur fällt, führt die
Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung die elektrische Energie
in Zyklen kurzer Stöße dem Widerstandsheizelement
wieder zu.
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Proportionalbandtemperaturregeleinrichtungen
sind effizient, haben sehr kleine elektrische Energieverluste und
schalten die Zufuhr der elektrischen Energie genau ab, wenn die
Wassertemperatur die Solltemperatur erreicht. Außerdem sind Proportionalbandtemperaturregeleinrichtun gen
im Vergleich mit den Temperaturregeleinrichtungen nach dem Stand
der Technik weniger kostspielig herzustellen und weniger aufwendig
zu installieren. Auch können
Zusatzeinrichtungen, wie Anzeigelampen, akustische Warneinrichtungen
und Temperaturanzeigeeinrichtungen problemlos an Proportionalbandtemperaturregeleinrichtungen
angeschlossen werden, um die Funktion und den Komfort der Wassererhitzer
zu verbessern, an die sie angeschlossen sind.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung, den Ansprüchen
und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Schnittdarstellung
eines Wassererhitzers, die die Anordnung der Temperaturregeleinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Verhältnis
zu anderen Komponenten des Wassererhitzers zeigt;
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2 ist ein elektrisches Schaltbild
einer bevorzugten Temperaturregeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Diagramm von Energieverwendungsdaten
einer mechanischen Temperaturregeleinrichtung nach dem Stand der
Technik und von einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 ist ein Diagramm von Energieverbrauchsdaten
der mechanischen Temperaturregeleinrichtung nach dem Stand der Technik
und von der Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bevor
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ausführlich
erläutert
wird, soll zu verstehen gegeben werden, dass die Erfindung bezüglich ihrer
Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der
Komponenten oder Schritte beschränkt ist,
die in der nachfolgenden Beschreibung erwähnt oder in den Zeichnungen
dargestellt sind. Die Erfindung kann auch andere Ausführungsbeispielen
beinhalten und kann auf mehrere verschiedene Arten ausgenutzt oder
durchgeführt
werden. Es soll weiterhin zu verstehen gegeben werden, dass die
hier verwendete Phraseologie und Terminologie dem Zweck der Beschreibung
dient und nicht als Beschränkung angesehen
werden sollte.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Wie
oben beschrieben wurde, hat die Verwendung einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
bei einem Wassererhitzer mit einem elektrischen Widerstandsheizelement
den unerwarteten Vorteil, dass das Wasser im Wassererhitzer auf
eine vorgewählte
Solltemperatur bei einem Verbrauch von elektrischer Energie erhitzt
wird, der niedriger ist als der Verbrauch, der beim Erhitzen der
gleichen Wassermenge auf die gleiche Solltemperatur in dem gleichen
Wassererhitzer benötigt
wird, bei dem eine mechanische Temperaturregeleinrichtung nach dem Stand
der Technik verwendet wird.
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Eine
Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung ist eine elektronische
Einrichtung, die eine Wassertemperaturermittlungseinrichtung (Thermistor),
eine Temperatursollwerteinrichtung (variabler Regelwiderstand),
einen abschaltbaren Thyristor zum Zuführen der elektrischen Energie
zum Widerstandsheizelement und eine Logikschaltung zum Ansteuern
des Thyristors nach Maßgabe
der Signale der Wassertemperaturermittlungseinrichtung und der Temperatursollwerteinrichtung.
Die Logikschaltung empfängt
eine Eingangsspannung von der Wassertemperaturermittlungseinrichtung
und der Temperatursollwerteinrichtung, die die Abweichung der Wassertemperatur
von der Solltemperatur darstellt. Die Logikschaltung zündet den
abschaltbaren Thyristor nach Maßgabe
der Eingangsspannungen von der Wassertemperaturermittlungseinrichtung und
der Temperatursollwerteinrichtung. Bei großen Temperaturabweichungen
zwischen der Wassertemperaturermittlungseinrichtung und der Temperatursollwerteinrichtung
zündet
die Logikschaltung den abschaltbaren Thyristor derart, dass er die
elektrische Energie während
des größten Zeitabschnitts von
ca. 94% jedes Zyklus des Wechselstroms leitet, und zündet den
abschaltbaren Thyristor, dass er die Zufuhr der elektrischen Energie
während
ca. 6% jedes wechselstromzyklus abschaltet. Wenn die Abweichung
zwischen der Wassertemperatur und dem Sollwert kleiner wird, erreicht
die Wassertemperatur einen Proportionalregelbandbereich, in dem
die Logikschaltung den abschaltbaren Thyristor stärker beeinflusst,
um die dem Widerstandsheizelement zugeführte elektrische Energie zu
begrenzen. Wenn die Wassertemperatur den Proportionalregelbandbereich
erreicht, legt die Logikschaltung eine neue Regelzykluszeitdauer
fest und zündet
den Thyristor derart, dass er die elektrische Energie während 85%
jedes Zyklus zuführt
und die Zufuhr während
15% jedes Zyklus abschaltet. Wenn sich die Wassertemperatur der
Solltemperatur nähert,
zündet
die Logikschaltung den Thyristor derart, dass er die Energie während eines
kürzeren
Zeitabschnitts jeder Zyklusperiode zuführt. Wenn die Wassertemperatur
die Solltemperatur erreicht, sperrt die Logikschaltung den Thyristor
und dem Widerstandsheizelement wird so lange keine elektrische Energie
zugeführt,
bis die Wassertemperatur wieder unter die Solltemperatur fällt. Um
die unerwünschte
periodische Energiezufuhr um die Solltemperatur zu verhindern, ist
die Logikschaltung so eingestellt, dass sie eine Wassertemperatursenkung
von 5°C
bis 10°C unter
die Solltemperatur erfordert, bevor der Thyristor wieder gezündet wird,
um die elektrische Energie zuzuführen und
das Wasser wieder auf die Solltemperatur zu erhitzen.
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Diese
Erhöhung
der Effizienz des Wassererhitzens im Wassererhitzer, der eine Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
verwendet, ist eigentlich nicht ganz zu verstehen. Theoretisch wird
im Wesentlichen sämtliche
elektrische Energie, die dem Widerstandsheizelement zugeführt wird,
in Wärme umgewandelt,
und diese Wärme
sollte auf das Wasser übertragen
werden, das das Widerstandsheizelement umgibt. Die gleiche Menge
der elektrischen Energie sollte die gleiche Wassermenge auf die
gleiche Anzahl der Temperaturgrade erhitzen. wie im folgenden Beispiel
gezeigt wird, benötigt
ein Wassererhitzer mit einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
ca. 10% weniger elektrischer Energie, um einen Tank mit Wasser auf
eine gewählte
Solltemperatur zu erhitzen als der gleiche Wassererhitzer mit einer
mechanischen Temperaturregeleinrichtung nach dem Stand der Technik.
Die erhöhte
Genauigkeit einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung beim
Erhitzen von Wasser auf eine Solltemperatur mit geringem Überschreiten
erklärt
eine Erhöhung der
Effizienz gegenüber
einer mechanischen Temperaturregeleinrichtung in einigen, jedoch
nicht in allen Fällen.
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Ohne
dass ich mich festlegen möchte,
behaupte ich jedoch, dass die Erhöhung der Erhitzungseffizienz
bei der Verwendung einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung
mit den physikalischen Bedingungen im Wassertank zusammenhängt, die
die Wärmeübertragung
vom Widerstandsheizelement auf das Wasser beeinflussen. Eine Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung führt die
elektrische Energie dem Widerstandsheizelement so lange in kurzen
Stößen zu,
denen kurze Zeitabschnitte folgen, während derer keine elektrische
Energie zugeführt
wird, bis das Wasser im Wassertank die gewählte Solltemperatur erreicht.
Die Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung schaltet die Zufuhr
der elektrischen Energie zum Widerstandsheizelement genau ab, wenn
das Wasser die Solltemperatur erreicht. Andererseits führt eine
mechanische Temperaturregeleinrichtung nach dem Stand der Technik
dem Widerstandsheizelement die elektrische Energie mit voller Leistung
kontinuierlich weiter zu, wenn das Wasser erhitzt wird. wenn das Wasser
die Solltemperatur erreicht, können
mechanische Eigenschaften des bimetallischen Thermoelementes verursachen,
dass die mechanische Temperaturregeleinrichtung "über
das Ziel hinaus schießt" und das Wasser auf
eine Temperatur oberhalb der Solltemperatur erhitzt, bevor sie die
Zufuhr der elektrischen Energie zum Widerstandsheizelement abschaltet.
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Ein
Widerstandsheizelement, wie es in häuslichen Wassererhitzern verwendet
wird, erhitzt sich in weniger Sekunden auf eine Temperatur im Bereich von
427°C bis
482°C (800°F bis 900°F). Wasser,
das mit einem solchen heißen
Widerstandsheizelement in Berührung
kommt, verdampft und bildet eine Dampfschicht rund um das Widerstandsheizelement und
verringert die Wärmeübertragung
vom Widerstandsheizelement auf das Wasser. Bei einer mechanischen
Temperaturregeleinrichtung wird das Widerstandsheizelement auf diese
Art erhitzt und behält die
hohe Temperatur bei, bis das bimetallische Thermoelement die Zufuhr
der elektrischen Energie abschaltet. Der Wärmeüberschuss von einem durch eine
mechanische Temperaturregeleinrichtung angesteuerten Widerstandsheizelement
kann zur Wand des Wassertanks ausgestrahlt oder durch den Dampf in
den oberen Teil des Wassertanks transportiert werden, wo der Wärmeüberschuss
in der obersten Wasserschicht absorbiert wird, die vom temperaturermittelnden
bimetallischen Thermoelement entfernt ist.
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Mit
einer Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung wird das Widerstandsheizelement
während
jedes Stoßes
der elektrischen Energie erhitzt und während der Zeitabschnitte zwischen
den Stößen durch
Berührung
mit dem Wasser gekühlt.
Diese Kühlung
des Widerstandsheizelementes zwischen jedem Stoß von elektrischer Energie
reduziert die Temperatur, auf die das Widerstandsheizelement erhitzt
wird, und verringert die Ansammlung des Dampfes rund um das heiße Widerstandsheizelement.
Infolge dessen wird die Wärmeübertragung
vom Widerstandsheizelement auf das Wasser erhöht. Die Zufuhr der elektrischen
Energie zum Widerstandsheizelement in einem Wassererhitzer in diskreten kurzen
Stößen, wobei
jedem Stoß ein
Zeitabschnitt folgt, in dem die elektrische Energie abgeschaltet wird,
erhöht
die Effizienz der Wärmeübertragung
vom Widerstandsheizelement auf das Wasser im Wassererhitzer.
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Proportionalbandtemperaturregeleinrichtungen
sind allgemein bekannt und werden weitgehend bei vielen kommerziellen
Anwendungen verwendet, die auch die Temperaturregelung von Wasser
in solchen Geräten
wie Kaffeemaschinen einschließen. Proportionalbandtemperaturregeleinrichtungen
wurden nach meinem Kenntnisstand nicht zur Temperaturregelung einer
großen
Menge von Wasser in einem Wassererhitzer verwendet.
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1 der Zeichnung zeigt eine
Schnittdarstellung eines Wassererhitzers 10, der einen
ständig geschlossenen
Wassertank 11, einen den Wassertank 11 umschließenden Mantel 12 und
eine Schaumisolierung 13 aufweist, die den ringförmigen Raum zwischen
dem Wassertank 11 und dem Mantel 12 ausfüllt. Eine
Wassereingangsleitung oder ein Tauchrohr 14 ist am oberen
Teil des Wassertanks 11 angeschlossen, um kaltes Wasser
in die Nähe
des Bodens des Wassertanks 11 zuzuführen. Eine Wasserabflussleitung 15 tritt aus
dem Wassertank 11 aus, um heißes Wasser aus der Nähe des oberen
Teiles des Wassertanks 11 zu entnehmen. Ein Widerstandsheizelement 16 erstreckt
sich durch die Wand des Wassertanks 11 hindurch. Mit dem
Widerstandsheizelement 16 ist ein Proportionalbandsteuerschaltung
in einem Steuergerät 17 verbunden.
Ein Thermistor 18, der mit der Außenwand des Wassertanks 11 zur
Ermittlung der Wassertemperatur im Wassertank 11 in Kontakt
steht, ist mit der Logikschaltung durch eine elektrische Leitung 19 verbunden.
Elektrischer Wechselstrom wird dem abschaltbaren Thyristor über die
Leitung 20 zugeführt.
Eine anpassbare Bedienerschnittstelle 30, die auf der Außenseite
des Wassererhitzers angebracht ist, kommuniziert mit dem Steuergerät 17 und
ermöglicht
einen sicherheitsgeschützten
Zugang zur Steuerung des Heizelementes. Die Bedienerschnittstelle
dient der direkten Steuerung oder Fernsteuerung des Heizelementes.
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2 der Zeichnung ist eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 zum
Erhitzen von Wasser in einem Wassererhitzer nach dem verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung. In 2 ist
das Widerstandsheizelement 125 ein 4500-Watt-Heizelement zum Erhitzen
von Wasser in einem Wassererhitzer. Eine Solltemperatur-Einrichtung 101 ist
ein variabler Regelwiderstand zur Einstellung der Solltemperatur im
Bereich von ca. 32°C
bis 82°C
(90°F bis
180°F). Ein
Thermistor 102 dient der Ermittlung der Wassertemperatur
im Wassererhitzer. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnten Thermistore
im Tank zum Messen der Wassertemperatur an mehreren Stellen verteilt
angeordnet sein. Die Ausgangsgrößen der
Thermistore könnten
einer Mittelwertbildung unterworfen werden.
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Ein
abschaltbarer Thyristor 103 ist ein TRIAC, der von Motorola
Inc. hergestellt wird und der der Regelung der Zufuhr elektrischer
Energie zum Widerstandsheizelement 125 dient. Ein Logik-Baustein 104 ist
eine von Motorola, Inc. hergestellte Proportionalbandtemperaturregeleinrichtung UAA1016A.
Der Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 wird über Leitungen 105 und 106 eine elektrische
Leistung von 240 Volt zugeführt.
Ein optoelektrischer Koppler 108 dient, wie nachfolgend
beschrieben wird, dazu, den wert zu bestimmen, um den die Wassertemperatur
gegenüber
der Sollwerttemperatur fallen muss, bevor die Proportionalbandtemperaturregelschaltung
sich reaktiviert.
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Eine
stabilisierte Betriebsspannung von ca. –8 V wird der Proportionalbandtemperaturregelschaltung
von der Leitung 106 über
eine Zenerdiode 107 und einen Widerstand 109 in
die Leitung 110 zugeführt.
Durch die Solltemperatur-Einrichtung 101 und den Temperatursensor 102 verursachte
Spannungsabfälle
erzeugen im Punkt 111 eine Signalspannung. Die Signalspannung
ist dem Temperaturunterschied zwischen der Solltemperatur und der
ermittelten Wassertemperatur proportional. Die ermittelte Spannung
wird über
eine Leitung 112 einem Zweig eines Spannungskomparators 113 innerhalb
des Logik-Bausteines 104 zugeführt. Eine Bezugsspannung, deren
Größe mittels
Spannungsfälle
durch die Widerstände 114 und 115 bestimmt
wird, wird im Punkt 116 erzeugt. Eine Sägezahnspannung, die in einem
Sägezahngenerator 118 im
Logik-Baustein 104 erzeugt wird, wird der Bezugsspannung
im Punkt 119 überlagert.
Die durch die Sägezahnspannung modifizierte
Bezugsspannung wird über
eine Leitung 117 an den zweiten Zweig des Spannungskomparators 113 angelegt.
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Die
der Bezugsspannung überlagerte
Sägezahnspannung
verursacht sägezahnförmige Änderungen
der Spannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators 113 in
einem Zyklus von ca. 0,85 s von einem minimalen zu einem maximalen Spannungswert.
Im Spannungskomparator 113 wird die Signalspannung am ersten
Zweig mit der modifizierten Bezugsspannung am zweiten Zweig verglichen. Das
Vergleichsergebnis wird über
die Leitung 120 der Logikschaltung 121 zugeführt. In
der Logikschaltung 121 wird ein Signal erzeugt, das zur
Ansteuerung des Thyristors 103 über eine Leitung 122,
einen Verstärker 123 und
eine Leitung 124 übertragen
wird. Wenn die Signalspannung am ersten Zweig des Komparators 113 größer ist
als der Maximalwert der Bezugsspannung am zweiten Zweig des Komparators 113, versetzt
das Signal den Thyristor 103 in einen leitenden Zustand
und ermöglicht
einen Stromfluss durch das Widerstandsheizelement 125 zum
Erhitzen von Wasser im Wassertank. Der Logik-Baustein 104 ist derart
eingerichtet, dass das Signal auf der Leitung 124 bewirkt,
dass der Thyristor 103 während 96% jedes Wechselstromzyklus
Strom leitet und während 4%
jedes Stromzyklus keinen Strom leitet.
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Wenn
sich die durch den Temperatursensor 102 ermittelte Wassertemperatur
der Solltemperatur nähert,
die an der Solltemperatur-Einrichtung 101 gewählt wird,
fällt die
Signalspannung am ersten Zweig des Spannungskomparators 113 auf
einen Wert ab, der kleiner als der Maximalwert der Bezugsspannung am
zweiten Zweig des Komparators 113 ist. wenn die Signalspannung
im Bereich zwischen dem Maximalwert der Bezugsspannung und dem Mittelwert
der Bezugsspannung liegt, arbeitet die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 im
Proportionalbandregelbereich. Dementsprechend, wenn die Signalspannung
größer als
der wert der Bezugsspannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators ist,
signalisiert die Logikschaltung 121 dem Verstärker 123,
dass er den Thyristor 103 zündet, um elektrische Energie
zum Widerstandsheizelement 125 zuzuführen. wenn dann die Sägezahnspannung
einen Anstieg der Bezugsspannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators auf
einen wert bewirkt, der größer als
der Wert der Signalspannung am ersten Zweig des Spannungskomparators
ist, signalisiert die Logikschaltung dem Verstärker 123, dass er den
Thyristor 103 zündet,
um keine elektrische Energie mehr zum Widerstandsheizelement 125 zuzuführen. Wenn
sich die Signalspannung am ersten Zweig des Spannungskomparators
dem Mittelwert der Bezugsspannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators 113 nähert, befindet
sich der Thyristor 103 im größeren Teil jedes Zyklus der
erzeugten Sägezahnspannung
in einem nicht leitenden Zustand. Wenn die vom Temperatursensor 102 ermittelte
Wassertemperatur gleich der Solltemperatur der Solltemperatur-Einrichtung 101 ist,
wird die Signalspannung am ersten Zweig des Spannungskomparators 113 dem
Mittelwert der Bezugsspannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators 113 entsprechen und
die Logikschaltung 121 signalisiert dem Verstärker 123,
den Thyristor 103 abzuschalten, so dass die Zufuhr elektrischer
Energie zum Widerstandsheizelement 125 unterbrochen wird.
Der Thyristor 103 verbleibt im nicht leitenden Zustand,
bis die vom Temperatursensor 102 ermittelte Wassertemperatur
um einen vorbestimmten wert unter die Solltemperatur fällt, wie
nachfolgend beschrieben wird.
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Die
Signalspannung am ersten Zweig des Spannungskomparators 113 und
die Bezugsspannung am zweiten Zweig des Spannungskomparators 113 müssen Werte
aufweisen, die ermöglichen,
dass die Logikschaltung 121 ein Signal für den Verstärker 123 erzeugt,
das den Thyristor 103 genau zündet, um das Wasser auf die
gewünschte
Temperatur zu erhitzen. Die Solltemperatur-Einrichtung 101 ist
ein variabler Regelwiderstand, dessen Widerstandswert zum Zweck
der Änderung
der Solltemperatur manuell eingestellt werden kann. Der Temperatursensor 102 ist
ein Thermistor, dessen Widerstand mit der Erhöhung der ermittelten Temperatur
abnimmt. Die Werte der Widerstände 126 und 127 wer den
derart gewählt,
dass die Signalspannung am Punkt 111 dem Unterschied zwischen
der Solltemperatur und der ermittelten Wassertemperatur proportional
ist. Die Bezugsspannung am Punkt 116 wird durch den Wert der
Widerstände 114 und 115 bestimmt,
während
die Amplitude der Sägezahnspannung,
die der Bezugsspannung am Punkt 119 überlagert wird, durch die Werte
der Widerstände 128 und 129 bestimmt
wird. Die werte dieser Widerstände
müssen
derart eingestellt werden, dass sie sich an die Eigenschaften der bestimmten
Solltemperatur-Einrichtung 101, des bestimmten Temperatursensors 120 und
des bestimmten Logik-Bausteins 104 anpassen,
die für
die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 gewählt wurden.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist in der Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 ein optoelektrischer
Koppler 108 enthalten, um unerwünschtes Schwingen des Thyristors 103 zu
verhindern, wenn die ermittelte Wassertemperatur ungefähr der Solltemperatur
entspricht. Wenn die ermittelte Wassertemperatur der Solltemperatur
entspricht, signalisiert die Logikschaltung 121 dem Verstärker 123,
den Thyristor 103 abzuschalten und die Zufuhr von elektrischer
Energie zum Widerstandsheizelement 125 zu unterbrechen.
Ohne den optoelektrischen Koppler 108 passiert Folgendes;
Wenn die ermittelte Wassertemperatur um einen kleinen Betrag, zum
Beispiel um weniger als 1°C,
unter die Solltemperatur fällt,
signalisiert die Logikschaltung 121 dem Verstärker 123,
den Thyristor 103 zu zünden
und die elektrische Energie dem Widerstandsheizelement 125 zuzuführen, bis
die ermittelte Wassertemperatur wieder auf die Solltemperatur erhitzt
wird. Diese Aktivität
bewirkt ein schnelles Ab- und Anschalten des Thyristors 103,
um die ermittelte Wassertemperatur möglichst genau an die Solltemperatur
anzupassen.
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Der
optoelektrische Koppler 108, der mittels Leitungen 130 und 131 dem
Widerstandsheizelement 125 parallel geschaltet ist, bewirkt,
dass die ermittelte Temperatur um ungefähr 5°C höher erscheint, als sie tatsächlich ist,
wenn ein elektrischer Strom durch das Widerstandsheizelement 125 fließt. Wenn
die vom Temperatursensor 102 ermittelte Wassertemperatur
die Solltemperatur erreicht, schaltet der Thyristor 103 die
Zufuhr des elektrischen Stroms ab, der durch das Widerstandsheizelement 125 und den
optoelektrischen Koppler 108 fließt. wenn durch den optoelektrischen
Koppler 108 kein Strom fließt, wird die Signalspannung
im Punkt 111 durch den Spannungsabfall bestimmt, der durch
den Temperatursensor 102 verursacht wird, sowie durch den Spannungsabfall
bestimmt, der durch die Solltemperatur-Einrichtung 101,
den Widerstand 126 und den Widerstand 127 verursacht
wurde. Der Widerstand 127 erzeugt einen Spannungsabfall,
der dem Spannungsabfall entspricht, der durch eine Temperaturänderung
der ermittelten Temperatur von 5°C
verursacht wird. Infolge dessen erscheint die ermittelte Temperatur
um ca. 5°C
höher als
sie tatsächlich
ist, wobei die ermittelte Temperatur um zusätzliche 5°C fallen muss, bevor die Signalspannung
am ersten Zweig des Spannungskomparators 113 anzeigen wird,
dass die ermittelte Temperatur unterhalb der Solltemperatur liegt.
wenn der Spannungskomparator 113 der Logikschaltung 121 signalisiert,
dass die ermittelte Temperatur unterhalb der Solltemperatur liegt,
signalisiert die Logikschaltung 121 dem Verstärker 123,
den Thyristor 103 zu zünden
und einen Durchfluss des elektrischen Stroms durch das Widerstandsheizelement 125 zu
ermöglichen.
Wenn der elektrische Strom durch das Widerstandsheizelement 125 fließt, fließt der elektrische
Strom über
die Leitungen 130 und 131 durch den optoelektrischen Koppler 108.
Wenn der elektrische Strom durch den optoelektrischen Koppler 108 fließt, wird
der Widerstand 127 überbrückt und
der Offset von 5°C
gegenüber
der scheinbaren ermittelten Wassertemperatur wird aufgehoben. Dann
signalisiert die Logikschaltung 121 dem Verstärker 123,
den Thyristor 103 zu zünden,
bis die ermittelte Wassertemperatur wieder die Solltemperatur erreicht.
Durch diese Aktivität
des optoelektrischen Kopplers 108 wird ermöglicht,
dass die ermittelte Temperatur um ca. 5°C unter die Solltemperatur fällt, bevor
der Thyristor 103 wieder elektrische Energie durch das
Widerstandsheizelement 125 leitet, und dass die ermittelte
Wassertemperatur auf die Solltemperatur erhöht wird, bevor die Zufuhr der
elektrischen Energie zum Widerstandsheizelement 125 abgeschaltet
wird. Diese Aktivität
verhindert ein Schwingen des elektrischen Stroms durch das Widerstandsheizelement 125,
wenn die ermittelte Wassertemperatur ungefähr der Solltemperatur entspricht.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte die
Temperaturregelschaltung 100 eine programmierbare Echtzeituhr
aufweisen, bei der die Zeitabschnitte des Spitzenlast- und Schwachlastenergiebedarfs
oder Erholungsbetriebszyklen im Regelzyklus für das Heizelement programmiert
werden könnten.
Zusätzlich
könnten
ein Drucksensor, ein Temperatursensor, ein Mineralablagerungssensor und/oder
ein Sensor zur Ermittlung der Wasseranwesenheit hinzugefügt werden.
Die Regelschaltung würde
derart programmiert werden, dass die Energiezufuhr zum Wassererhitzer
und/oder dem Heizelement abgeschaltet wird, wenn vorgegebene Bedingungen
oder Grenzwerte erkannt werden. Die Regelschaltung könnte weiterhin
Mittel zur automatischen Sollwerteinstellung als Reaktion auf verschiedene Bedingungen
aufweisen, wie die verwendete Wassermenge oder ob ein Zeitabschnitt
des Spitzenlast- oder Schwachlastenergiebedarfs vorliegt.
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Beispiel
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In
einem ersten Beispiel wurde zum Erhitzen von Wasser von 16°C auf 49°C (60°F bis 120°F) ein elektrischer
Wassererhitzer mit einem 4500 W-Widerstandsheizelement unter Verwendung
von 240 V-Wechselspannung benutzt. In einem ersten Durchgang wurde
zur Ermittlung der Wassertemperatur und zur Regelung des dem elektrischen
Widerstandsheizelement zugeführten
elektrischen Stroms ein handelsüblicher
bimetallischer Thermostat, wie in der Einleitung dieser Anmeldung
beschrieben ist, verwendet. In einem zweiten Durchgang wurde zur Ermittlung
der Wassertemperatur und zur Regelung des dem elektrischen Widerstandsheizelement
zugeführten
elektrischen Stromflusses die Proportionalbandtemperaturregelschaltung,
wie sie in 2 dargestellt
und in dieser Anmeldung beschrieben ist, verwendet. Die Ergebnisse
der beiden zu vergleichenden Durchgänge sind in 3 der Zeichnungen dargestellt.
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Für den Durchgang 1 wurde
die Vorspannung eines bimetallischen Thermostaten mit einem Gewindebolzen
derart eingestellt, dass der bimetallische Thermostat bei einer
Solltemperatur von 49°C (120°F) von einer
flachen Konfiguration in eine gewölbte Konfiguration schnappen
würde.
Der bimetallische Thermostat wurde mit der Außenwand des Wassertanks des
Wassererhitzers in eine Position ungefähr drei Zoll über dem
elektrischen Widerstandsheizelement in Berührung gebracht. Der bimetallische
Thermostat wurde mittels eines Isolierstabs mit einem elektrischen
Schalter verbunden, der in einer Leitung geschaltet ist, die das
Widerstandsheizelement mit elektrischer Energie versorgt. Der Wassertank
wurde mit Wasser von 16°C
(60°F) gefüllt und
die elektrische Energie wurde mit der Leitung, die das Widerstandsheizelement
mit elektrischer Energie versorgt, verbunden. Der bimetallische
Thermostat verblieb im flachen Zustand und der elektrische Schalter
war geschlossen. Der elektrische Strom floss durch das Widerstandsheizelement
mit einer Stärke
von 19,7 Ampere ungefähr
27 Minuten lang, bis das Wasser auf ca. 50°C (122°F) erhitzt wurde. Dann schnappte
der bimetallische Thermostat in eine gewölbte Form und aktivierte den
Schalter, um den zum Widerstandsheizelement fließenden elektrischen Strom abzuschalten.
Ein Diagramm Wassertemperatur über
Zeit für
diesen ersten Durchgang ist in 3 dargestellt.
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Für den Durchgang 2 wurde
eine Proportionalbandtemperaturregelschaltung, wie sie in 2 dargestellt und in dieser
Anmeldung oben beschrieben ist, verwendet. Die Solltemperatur-Einrichtung 101 wurde
für einen
Sollwert von 49°C
(120°F)
kalibriert und die Thermistor-Temperaturermittlungseinrichtung 102 wurde
an den Wassertank ungefähr
drei Zoll über
dem elektrischen Widerstandsheizelement 125 angebracht.
Der Thyristor 103 wurde mit dem Widerstandsheizelement 125 verbunden.
Der Wassertank des Wassererhitzers wurde geleert und mit Wasser
von 16°C
wieder gefüllt
und die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 wurde
an das Stromnetz angeschlossen. Die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 führt zunächst dem
Widerstandsheizelement 125 einen Strom von 18,8 Ampere
zu, d. h., ca. 95% des Stromwertes, der vom mechanischen Thermostaten
im Durchgang 1 geliefert wurde. Nach ca. vier Minuten (bei
20°C (68°F)) verringert
die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 den dem
Widerstandsheizelement 125 zugeführten Strom auf 18,6 Ampere,
d. h., auf ca. 91% des Stromwertes, der vom mechanischen Thermostaten
im Durchgang 1 geliefert wurde. Nach ca. 21 Minuten (bei
40°C (104°F)) erreichte
die ermittelte Wassertemperatur den Proportionalbandtemperaturbereich
und die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 begann,
den dem Widerstandsheizelement 125 zugeführ ten elektrischen
Strom langsam zu reduzieren, bis die ermittelte Wassertemperatur nach
27 Minuten die Solltemperatur erreichte und die Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 den dem
Widerstandsheizelement 125 zugeführten elektrischen Strom abschaltete.
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Eine
Betrachtung der 3 zeigt,
dass im Durchgang 1 und im Durchgang 2 die gleiche
Wassermenge auf im wesentlichen die gleiche Temperatur in der gleichen
Zeit erhitzt wurde. Im Durchgang 1 war jedoch während der
Erhitzungsphase ein Strom von 19,7 Ampere erforderlich, während im
Durchgang 2 lediglich ein Strom von ca. 18,6 Ampere erforderlich
war. Das bedeutet, dass das Erhitzen von Wasser in einem Wassererhitzer,
der mit der Proportionalbandtemperaturregelschaltung 100 nach der
vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, die das Widerstandsheizelement 125 mit
elektrischem Strom in kurzen Stößen versorgt,
denen kurze Zeitabschnitte folgen, in denen die Stromzufuhr abgeschaltet
ist, ca. 9% weniger elektrischer Energie erfordert als das Erhitzen
der gleichen Wassermenge auf die gleiche Temperatur im gleichen
Wassererhitzer, bei dem jedoch ein mechanischer Temperaturregeleinrichtung verwendet
wird. Dies ist ein unerwartetes Ergebnis.
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Die
gepulste Zufuhr von Strom zur Last mittels der Proportionalbandtemperaturregelschaltung ermöglicht einen
exakten Anstieg und Abfall der Wassertemperatur als schnelle Reaktion
auf den zugeführten
Strom. Eine kurze Unterbrechung des dem Heizelement in jedem Zyklus
zugeführten
Stroms ermöglicht
eine effizientere Übertragung
der Strahlungsenergie vom Wassererhitzer auf das Wasser.
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Als
ein zweites Beispiel wurde ein Test durchgeführt, um die tatsächliche
Energiemenge zu ermitteln, die ein Be nutzer während eines typischen Arbeitszyklus
eines Heißwassererhitzers
verwenden würde.
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Bezugnehmend
auf 4 wird die tatsächliche
Anzahl von Kilowattstunden (kWh) über die Zeit für einen
mechanischen Thermostaten und einen elektronischen Thermostaten,
der eine Proportionalbandregellogik aufweist, aufgetragen.
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4 zeigt, dass während eines
typischen Erhitzungszyklus als eine unmittelbare Folge der Verwendung
der Proportionalbandregellogik ungefähr 3% weniger Energie verwendet
wurde. Es ist möglich,
dass dieser Prozentsatz durch eine Änderung des Leitwinkels der
Zündungsquadrante
des Triac ohne ein nachteiliges Beeinflussen der Leistung des Wassererhitzers
auf ca. 5–5,5%
erhöht
werden könnte.
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Zusätzlich bietet
eine sukzessive Annäherung
an die Solltemperatur ohne Überschreiten
der gewünschten
Temperatur durch Begrenzung des dem Widerstandsheizelement zugeführten Stroms durch
die Verwendung der Proportionalbandregellogik und dadurch, dass
dem Erhitzer der Strom in Impulsen zugeführt wird, eine zusätzliche
Verringerung der Energiemenge um 15%.
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Die
Kombination der Strommodulation mit dem Verhindern der Überschreitung
der Solltemperaturwerte bietet dem Verbraucher kombinierte Energieeinsparungen
von 20% der Betriebskosten eines ähnlichen Erhitzers, bei dem
ein bimetallischer mechanischer Thermostat verwendet wird.
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Ein Überhitzen
von Wasser über
eine angemessene Temperatur von 52°C–54°C (125°F–130°F) verursacht im Allgemeinen
Energieverluste. Eine typische, zwei Zoll dicke Isolierschicht verliert
bei Temperaturen über
etwa 54°C (130°F) ihre Fähigkeit,
effektiv Wärme
zu speichern. Dieser Energieverlust im Bereitschaftsmodus ist unwirtschaftlich
und verursacht eventuell, dass der Erhitzer öfter als erforderlich eingeschaltet
wird.
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Die
Proportionalbandregelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
verhindert ein Überschreiten
und lässt
Wassertemperaturabfälle
von nur etwa 2°C
(5°F) zu,
um lediglich die benötigte
Differenz aufzubringen, die die Wassertemperatur auf den gewünschten
Sollwert zurück
bringt.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Proportionalbandregelschaltung ist ihre Eignung für eine Umgebung
mit entflammbaren Dämpfen.
Eine solche Umgebung kann in einer Garage, in einem Produktionsbetrieb
oder einem Kellerlagerbereich existieren, in denen Lösungsmittel,
Benzin, Propan oder andere hoch entflammbare oder explosive Dämpfe vorhanden
sind. Mechanische Thermostaten und Schalteinrichtungen vom Kontakttyp
können,
wenn ein elektrischer Kontakt hergestellt oder unterbrochen wird,
in Abhängigkeit
von der Stärke
des geschalteten Stroms Bogenentladungen erzeugen. Die elektrische Bogenentladung
kann einen entflammbaren Dampf anzünden, wenn der Dampf ausreichend
flüchtig
ist. Im Gegenteil ist die Proportionalbandregelschaltung vollständig durch
Halbleiter aufgebaut, weist keine beweglichen Bestandteile auf und
würde entflammbare
Dämpfe
nicht anzünden.
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Während ein
besonderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt und hier beschrieben wurde, können Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
können
zur Steuerung des Schaltzyklus des Thyristors 103 andere
Logik-Bausteine
als der Logik-Baustein Motorola UAA1016A verwendet werden. Es kann
auch eine andere Temperaturermittlungseinrichtung als der Thermistor
verwendet werden, der als Temperaturermittlungseinrichtung 102 eingesetzt
wird. Auch ein Thyristor anders als ein Motorola TRIAC kann als Thyristor 103 verwendet
werden. Es werden deshalb keine anderen Einschränkungen als die, die in den angehängten Ansprüchen enthalten
sind, beabsichtigt.