ES2202759T3 - Panel flexible de calentamiento y unidad de control. - Google Patents
Panel flexible de calentamiento y unidad de control.Info
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Abstract
UN CONJUNTO DE CALENTAMIENTO, PARA UTILIZAR COMO MANTA ELECTRICA O ALMOHADILLA PERSONAL DE CALENTAMIENTO, COMPRENDE UN PANEL FLEXIBLE DE CALENTAMIENTO Y UN CIRCUITO ELECTRICO PARA CALENTAR EL PANEL. UN ELEMENTO DE CALENTAMIENTO ELECTRICO (38) VA MONTADO DIRECTAMENTE EN EL PANEL Y COMPRENDE CONDUCTORES DE BOBINA COAXIAL, INTERIORES Y EXTERIORES, SEPARADOS POR UNA CAPA ELECTRICAMENTE AISLANTE Y RODEADOS POR UNA CAPA EXTERIOR IGUALMENTE AISLANTE. UN CABLE ELECTRICO FLEXIBLE DE DOS ANIMAS CONECTA EL ELEMENTO DE CALENTAMIENTO (38) A LA FUENTE DE ALIMENTACION Y A UN CONMUTADOR DE CONTROL ELECTRICO (35) PARA CONTROLAR EL FUNCIONAMIENTO DEL ELEMENTO DE CALENTAMIENTO, ENCONTRANDOSE UN FUSIBLE (34) SITUADO EN EL CIRCUITO QUE DEBE ACCIONARSE EN CASO DE QUE OCURRA UN CORTOCIRCUITO ENTRE LOS CONDUCTORES DEL ELEMENTO DE CALENTAMIENTO, DEBIDO A ROTURA O FALLO DE LA CAPA AISLANTE INTERIOR. EL CIRCUITO ELECTRICO INCLUYE TAMBIEN MEDIOS (35, 37) PARA CONTROLAR LA TEMPERATURA DEL ELEMENTO DE CALENTAMIENTO (38). EL ELEMENTO DE CALENTAMIENTO (38) ES EL UNICO COMPONENTE DEL CIRCUITO ELECTRICO QUE VA MONTADO DIRECTAMENTE SOBRE EL PANEL FLEXIBLE DE CALENTAMIENTO, Y SE ENCUENTRA CONECTADO AL RESTO DEL CIRCUITO, INCLUIDO LOS MEDIOS DE CONTROL, A TRAVES DEL CABLE ELECTRICO FLEXIBLE DE DOS ANIMAS.
Description
Panel flexible de calentamiento y unidad de
control.
La invención concierne a conjuntos calentadores
que incorporan paneles flexibles calentados eléctricamente. La
invención es particularmente aplicable a mantas eléctricas para uso
doméstico, y será descrita específicamente en relación con las
mismas. Sin embargo, se apreciará que la invención también puede
aplicarse a muchas otras formas de paneles calentados, tales como
calentadores debajo de alfombras, colchones y cojines.
Las mantas eléctricas incluyen comúnmente un
elemento calentador en la forma de unos conductores bobinados
interiores y exteriores coaxiales separados por una capa
eléctricamente aislante. Uno u otro de los bobinados, o ambos,
proporcionan el efecto calentador. Si se produjera un
sobrecalentamiento, la capa aislante que separa los dos
conductores está diseñada para fundirse, ocasionando que los dos
conductores entren en contacto eléctrico el uno con el otro,
ocasionando que se produzca un cortocircuito o un trayecto de baja
impedancia. Esto provoca un aumento de corriente en el circuito
eléctrico que contiene los conductores, ocasionando que se funda un
fusible, aislando así la manta de la red de suministro.
Hay muchas maneras de detectar que se ha
desarrollado un cortocircuito o un trayecto de baja impedancia
entre los dos conductores, y en las solicitudes de patente
británica números 1155118, 1585921, 2028608, 2266201, y 2286935 se
describen ejemplos de circuitos adecuados.
Sin embargo, los sistemas existentes requieren
típicamente el uso de diodos de al menos 1200 V en serie/paralelo
con los conductores del elemento calentados. Tales diodos son tan
costosos como propensos a los fallos debidos a los problemas de los
transitorios en los semiconductores. Las variaciones transitorias
en la red de suministro pueden, por supuesto, anularse mediante el
uso de un dispositivo VDR para impedir los picos en la tensión de
la red hasta un máximo de, digamos, 800 V (lo cual es típico para un
dispositivo conectado a un suministro de 255 V CA). Sin embargo,
esto todavía no impide que los diodos se averíen ocasionalmente
durante el uso de la manta, se cree que debido a oscilaciones
transitorias severas en la red distribuida de
inductancia/capacitancia formada por los dos bobinados
coaxiales.
También, en muchas de las disposiciones
existentes, los cuatro extremos de los conductores coaxiales están
conectados a un conmutador en el cable o a una unidad de control
al lado de la cama para ajustar la regulación del calor de la manta.
Esto requiere la conexión de un cable de múltiples conductores a
la manta y tales cables son voluminosos y pesados, y relativamente
rígidos, particularmente bajo condiciones frías, y en consecuencia
pueden ser difíciles de manipular y de guardar. También puede ser
que se ocasionen incendios por arco eléctrico debido a un fallo del
cable eléctrico flexible de múltiples conductores que conduce a la
manta. Por consiguiente, es deseable que el diseño de la manta
eléctrica sea tal que sólo sea necesario un simple cable eléctrico
flexible de dos conductores entre la manta y la red de suministro o
la unidad de control.
La invención también es aplicable a cojines
calentadores de bajo coste de un tamaño menor que el de las mantas
eléctricas convencionales. Tales cojines eléctricos tienen
típicamente unas dimensiones de 30 cm x 40 cm y se usan comúnmente
para proporcionar un calentamiento personal de bajo coste en
situaciones domésticas. Por ejemplo, tales cojines pueden ser
puestos encima, en el asiento, o colocados alrededor de los
laterales de sillones. Se requiere que tales cojines calentadores
sean bastante flexibles y que tengan un calentamiento rápido. En
consecuencia, los mismos incorporan generalmente una gran longitud
de elemento calentador con una distancia entre tramos pequeña, a una
relación potencia/unidad de área que es típicamente diez veces la
que se usa para una manta eléctrica bajera convencional.
En los cojines calentadores de este tipo
actualmente disponibles, el elemento calentador es un único
alambre conductor envuelto en un núcleo de rayón con una funda de
PVC. El conductor está dispuesto en una disposición tortuosa sobre
el cojín con una distancia entre tramos pequeña, del orden de 12 a
15 mm. Con el fin de proporcionar una protección frente al
sobrecalentamiento, uno o más termostatos diferenciales cerrados
están conectados en el elemento calentador, sobre el cojín, y están
dispuestos para romper automáticamente el circuito en el caso de
que la temperatura del elemento exceda de un valor predeterminado.
Sin embargo, dado que los cojines de calentamiento están sometidos
a menudo a un considerable plagado o doblado durante el uso, esto
puede llevar al sobrecalentamiento del elemento en áreas alejadas
de los termostatos, con el resultado de que el cojín puede
infracalentarse.
La patente
EP-A-0668646 describe un elemento
calentador que comprende unos conductores interior y exterior
separados por una capa aislante, estando los conductores
conectados por un diodo.
La presente invención se propone aportar una
manta calentadora eléctrica, o conjunto calentador similar, en la
que los problemas mencionados más arriba puedan ser superados.
De acuerdo con la invención, se aporta un
conjunto calentador que comprende un panel calentador flexible y
unos componentes eléctricos que proporcionan un circuito eléctrico
para calentar el panel, incluyendo los componentes eléctricos un
elemento calentador eléctrico montado directamente sobre el panel y
comprendiendo unos conductores bobinados coaxiales interior y
exterior separados por una capa eléctricamente aislante y rodeados
por una capa exterior eléctricamente aislante, un cable eléctrico
para conectar el elemento calentador a un suministro de potencia,
un conmutador de control eléctrico para controlar el
funcionamiento del elemento calentador, y un dispositivo de
fusible situado para ser accionado en el caso de que ocurra un
cortocircuito entre los conductores del elemento calentador como
resultado de una rotura de cualquier parte de dicha capa aislante
interior, siendo dicho elemento calentador el único componente de
dicho circuito eléctrico que está montado directamente sobre el
panel calentador flexible, y comprendiendo dicho cable para
conectar el elemento calentador al suministro de potencia un cable
eléctrico flexible de dos conductores que conecta el elemento
calentador a los otros componentes del circuito eléctrico, donde la
capa aislante interior tiene un punto de fusión más bajo que el de
la capa aislante exterior, y los conductores eléctricos del
elemento calentador están directa y eléctricamente conectados el uno
al otro en un extremo del elemento calentador.
El circuito eléctrico incluye preferiblemente un
conector de enchufe de dos clavijas y base separables situado en
el cable flexible de dos conductores adyacente al panel
calentador.
Los conductores coaxiales del elemento calentador
están conectados preferiblemente de manera que los mismos conducen
la misma corriente en direcciones opuestas a lo largo del
elemento. Por ejemplo, los mismos pueden estar conectados entre sí
en un extremo, estando los extremos opuestos de los conductores
conectados respectivamente a los conductores del cable eléctrico
de dos conductores.
En una disposición, ambos extremos del elemento
calentador pueden estar colocados junto a un borde lateral del
panel calentador, estando una porción del elemento calentador
intermedia entre los extremos del mismo situada junto al borde
lateral opuesto del panel calentador. Unos tramos del elemento
calentador situados a lo largo de una mitad de la longitud del
mismo pueden estar dispuestos generalmente a lo largo de unos
tramos del elemento situados a lo largo de la otra mitad del mismo.
Por ejemplo, el elemento calentador puede estar montado sobre el
panel calentador en una configuración tortuosa, estando cada tramo
del elemento que está más cerca de un extremo del elemento
dispuesto al lado y a lo largo de otro tramo que está a una
distancia similar del extremo opuesto del elemento.
En el caso en que el conjunto sea un cojín
calentador para uso personal, la distancia entre tramos adyacentes
del elemento calentador está en general preferiblemente en el
intervalo de 12 a 15 mm.
En una disposición alternativa, un primer tramo
menor del elemento calentador, que se extiende alejándose del
extremo del mismo que está conectado al cable flexible de dos
conductores, se extiende a través de una región del panel calentador
adyacente a la conexión del elemento al cable de dos conductores,
a través de una región del panel más alejada de la conexión al
cable de dos conductores, y a través de una región del panel
intermedia de las dos regiones citadas en primer lugar.
En cualquiera de las anteriores disposiciones de
acuerdo con la invención, el circuito eléctrico, cuando está
conectado a un suministro de potencia de corriente alterna, permite
preferiblemente que una corriente alterna de onda completa fluya a
través del elemento calentador.
El circuito eléctrico incluye preferiblemente
unos medios de control para permitir una variación en la corriente
que fluye a través del elemento calentador. Por ejemplo, los
medios de control pueden incluir un diodo rectificador y unos medios
de conmutación seleccionables para poner el diodo dentro o fuera
del circuito con el elemento calentador. Alternativamente, los
medios de control comprenden un regulador de energía mecánico o
electrónico.
El circuito eléctrico puede incluir unos medios
para detectar el cambio de resistencia del elemento calentador con
el cambio de temperatura y para controlar la temperatura del
elemento en respuesta al cambio en la resistencia para mantener la
temperatura en un valor preestablecido. Los medios para detectar
el cambio de resistencia del elemento calentador pueden comprender
una resistencia de monitorización de la corriente conectada al
elemento calentador con el fin de que un aumento de temperatura, y
por consiguiente de resistencia, de cómo resultado una disminución
de la corriente que fluye a través de la resistencia de
monitorización, incluyendo además el circuito unos medios para
reducir la energía suministrada al elemento calentador en
respuesta a una caída en la corriente que fluye a través de la
resistencia de monitorización, y para aumentar la energía
suministrada al elemento calentador en respuesta a una elevación en
la corriente que fluye a través de la resistencia de
monitorización.
En tal disposición, el circuito eléctrico puede
incluir ulteriores resistencias conectadas a través del suministro
de potencia para proporcionar una tensión de referencia, de manera
que la tensión a través de la resistencia de monitorización es igual
a la tensión de referencia a una temperatura deseada del elemento
calentador, estando previstos unos medios para variar
selectivamente la tensión de referencia con el fin de variar la
temperatura deseada. Los medios para variar la tensión de referencia
pueden comprender unos medios para conectar selectivamente en
serie una o más resistencias de regulación con una de dichas
resistencias que determinan la tensión de referencia. El circuito
eléctrico puede incluir además unos medios de cronometración para
conectar automáticamente en serie una de dichas resistencias de
regulación con una de las resistencias que determinan la tensión
de referencia durante un período predeterminado cuando el elemento
calentador es conectado inicialmente al suministro de potencia, con
el fin de proporcionar un rápido período de precalentamiento.
En cualquiera de las disposiciones de acuerdo con
la invención, la capa aislante dispuesta entre los conductores
puede tener un punto de fusión que sea de 40ºC a 60ºC más bajo que
el punto de fusión de dicha capa aislante exterior que rodea el
conductor exterior. El punto de fusión puede estar en el intervalo
de aproximadamente 135ºC a 145ºC. El dispositivo de fusible es
preferiblemente un fusible de acción lenta.
La siguiente es una descripción más detallada de
unas realizaciones de la invención, a modo de ejemplo, haciéndose
referencia a los dibujos que la acompañan, en los que:
la Fig. 1 es una representación esquemática de
una manta eléctrica de acuerdo con la invención;
la Fig. 2 es una vista esquemática del circuito
incorporado en la manta eléctrica;
las Figs. 3 y 4 muestran modificaciones del
circuito con el fin de proporcionar regulaciones de calentamiento
alternativas para la manta;
la Fig. 5 es una vista similar a la de la Fig. 1
de una forma de cojín calentador personal de acuerdo con la
presente invención;
la Fig. 6 es un esquema de una forma de circuito
de control eléctrico para controlar el elemento calentador en
cualquiera de las disposiciones de las Figs. 1 a 5;
la Fig. 7 es un esquema de una forma alternativa
y preferida de circuito de control eléctrico; y
la Fig. 8 muestra una modificación del circuito
de la Fig. 7.
Haciendo referencia a la Fig. 1, en ella se
observa, montado sobre una manta 10, un elemento calentador 11 que
comprende un conductor interior 12 separado de un conductor
exterior 13, coaxial, por una capa aislante interior 14, estando los
conductores coaxiales rodeados por una capa aislante exterior 15.
El elemento calentador 11 está montado sobre una manta 10 según un
patrón de configuración tortuoso o enrevesado, tal como se muestra
esquemáticamente, con el fin de extenderse substancialmente sobre
toda el área de la manta, de una manera bien conocida. La
construcción y materiales de la propia manta, el patrón de
configuración según el cual está dispuesto el elemento calentador, y
la manera en la que el mismo está asegurado a la manta no forman
parte de la presente invención y, por consiguiente, los mismos no
van a ser descritos en detalle. Aquellos expertos en la materia
serán muy conscientes de las formas de construcción alternativas que
se pueden usarse.
En un extremo 16 del elemento calentador, los dos
conductores 12 y 13 están eléctricamente conectados entre sí y
aislados exteriormente. En el otro extremo del elemento 11, los
conductores están conectados a un enchufe 17 de dos clavijas,
estando los conductores 12 y 13 conectados respectivamente a las
dos clavijas 18 del enchufe. Un cable eléctrico flexible de dos
conductores 19 se extiende desde una base 20, la cual está
conectada al enchufe 17, conduciendo el cable a una red de
suministro 21 de 240 V de CA. En el cable 19 o en una unidad de
control asociada al mismo están incorporados un fusible 22 y un
conmutador 23.
La capa aislante interior 14 tiene un punto de
fusión mucho más bajo que la capa aislante exterior 15,
típicamente de 40ºC a 60ºC más bajo. El conductor interior 12 es
de una resistencia muy baja y puede tener un formato de cobre
entorchado, o un envoltorio de cobre similar. El conductor
exterior 13 está hecho de una aleación adecuada, tal como es bien
conocido en la técnica del sector, con el fin de proporcionar el
efecto calentador requerido. Los dos conductores 12 y 13 pueden ser
bobinas enrolladas concéntricamente.
En su forma más simple, el control de la manta
eléctrica puede comprender, tal como muestra la Fig. 1, un fusible
22 en serie y un simple interruptor de encendido/apagado indicado
esquemáticamente con la referencia numérica 23. El interruptor de
encendido/apagado puede estar incorporado en un bloque de control,
el cual sólo incorpora el fusible 22.
El fusible 22 es de un tipo de acción lenta, el
cual está garantizado para fundirse, por ejemplo, a 1,5 x la
corriente considerada. Un fusible tal ha sido desarrollado para ser
usado en aplicaciones de telecomunicación y, a diferencia de los
del tipo de acción rápida, como los usados convencionalmente en
mantas eléctricas, los cuales generalmente se funden dentro de
fracciones de un segundo cuando la corriente excede de 2,1 veces la
corriente consideradas, estos fusibles de acción lenta son mucho
más lentos de funcionamiento y resultan menos afectados por
elevaciones transitorias de corriente. Sin embargo, también
podrían usarse fusibles de acción rápida convencionales.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente la manera en
la que la manta de la Fig. 1 funciona en caso de producirse un
sobrecalentamiento. Con finalidades explicativas, los conductores
12 y 13, y la capa aislante interior 14, se muestran
esquemáticamente extendiéndose a lo largo de una línea recta. Tal
como se ha descrito más arriba, los conductores están conectados
en un extremo, a través de un enchufe y base 17, 20 y un cable de
dos conductores 19, a la red de suministro 21, y en el extremo
opuesto 16 están eléctricamente conectados entre sí.
Si se produce un sobrecalentamiento en cualquier
lugar a lo largo del elemento calentador 11, la capa aislante
interior 14 se fundirá permitiendo que los conductores interior y
exterior entren en contacto el uno con el otro, ocasionando un
cortocircuito en el lugar donde se ha producido el
sobrecalentamiento. Alternativamente, los conductores podrían
formar un cortocircuito debido a la rotura de la capa aislante a
través de un maltrato o un daño infligido a la manta.
La corriente que fluye a través de un
cortocircuito varía desde infinito, si el cortocircuito se produce
en "A", junto al enchufe/base 17, 20, hasta un valor I en una
posición "B" junto al extremo 16 del elemento. En una posición
intermedia "C" a medio camino a lo largo del elemento, la
corriente de cortocircuito es de 2 x I. La elevación en una
corriente resultante del cortocircuito va a ocasionar que el fusible
22 se funda, desconectando así el elemento calentador de la red de
suministro.
Sin embargo, se aporta una ventaja disponiendo el
elemento 11 en una configuración tortuosa, tal como se muestra en
la Fig. 1, de manera que el extremo 16 del elemento esté
espacialmente adyacente al enchufe/base 17, 120. En este caso, el
elemento está, en efecto, doblado de manera que una mitad del
elemento se encuentra al lado de la otra mitad. Con esta
disposición, si se produce un cortocircuito como resultado de un
plegado o doblado excesivo de la manta, ocasionando un daño al
elemento y una rotura de la capa aislante interior, el cambio de
corriente mínimo como resultado de tal rotura será de 2 x I cuando
la rotura se produzca al lado de mano derecha de la manta, más
alejado del enchufe/base 17, 20, correspondiente a la posición
"C" mostrada en las Figs. 1 y 2. En las posiciones más
cercanas al lado de mano derecha de la manta, el cambio de
corriente será mayor, suponiendo que ambas porciones del elemento
sean dañadas en tal posición.
En la práctica, si se produjera un cortocircuito
dentro del lado de mano derecha de la manta, el aumento al doble
de la corriente ocasionará un aumento de la disipación de potencia
dentro de la porción del elemento que todavía es conductora. Esto, a
su vez, llevará a más múltiples cortocircuitos a medida que la
capa aislante interior 14 se funda. Un tal estado de cosas da como
resultado que la corriente a través del fusible 22 aumente
significativamente por encima del valor de 2 x I. Puesto que la capa
aislante interior se funde a una temperatura muy por debajo de la
temperatura de fusión de la capa aislante exterior, esta
progresiva fusión y acortamiento conjunto de las bobinas coaxiales
antes de que se funda el fusible no presenta un riesgo en absoluto
puesto que la temperatura de fusión de la capa aislante interior
es significativamente inferior incluso que la temperatura de
chamusqueo del envoltorio de tela de la manta.
El sistema hasta aquí descrito proporciona una
manta simple, de bajo coste y sobreprotegida, que en su forma
básica sólo requiere un fusible y en absoluto dispositivos
semiconductores. También, puesto que los conductores 12, 13 están
dispuestos de manera que la corriente fluye a través de los mismos
en direcciones opuestas, tal como puede observarse a partir de la
Fig. 2, se minimizan cualesquiera campos electromagnéticos que
resulten de la corriente eléctrica que fluye a través del elemento
calentador. Tal como es bien conocido, se cree que tales campos
electromagnéticos pueden tener un efecto adverso sobre el cuerpo
humano.
Si hace falta, los medios de control para la
manta pueden proporcionar regulaciones de calor alternativas, y en
las Figs. 3 y 4 se muestran esquemáticamente unas disposiciones a
modo de ejemplo.
En la disposición de la Fig. 3, el conmutador 24
puede ser cambiado desde una posición de apagado 25 hasta una
posición de pleno calor 26 la cual conecta directamente el
elemento calentador 11 a la red de suministro 21, o hasta una
posición intermedia 27 en la que un diodo rectificador 28 es
introducido al circuito de manera que la corriente fluye a través
del elemento sólo en las mitades de ciclo positivas de la red de
suministro, proporcionando con ello una regulación de calor del
50%.
En la disposición de la Fig. 4, el control se
efectúa mediante un regulador de energía mecánico o electrónico
indicado esquemáticamente con la referencia numérica 29. Los tipos
de regulador disponibles serán bien conocidos por aquellos expertos
en la técnica del sector y por consiguiente no serán descritos en
detalle.
El sistema de acuerdo con la presente invención
tiene la ventaja de que el elemento calentador puede, si se
requiere, presentar una carga resistiva de onda completa al
suministro, al contrario de muchos de los sistemas de protección
existentes, los cuales usan diodos rectificadores en serie en toda
la regulación de calor y por ello lleva a incorporar componentes
de CC en las líneas de la red de suministro.
Tales componentes de CC pueden ocasionar severos
problemas en muchos sistemas de distribución y, efectivamente,
están limitados por la legislación a unos valores muy bajos en
muchos países.
Si el sistema de acuerdo con la invención se usa
con un conmutador simple o un regulador bimetálico se tiene una
manta con una única/múltiple posición de regulación de calor a muy
bajo coste, aunque plenamente protegida, para ser usada en sistemas
de 110 V (en el que el uso de diodos en serie puede ocasionar
asimismo problemas de disipación de calor), y en sistemas de 230 V
tal como los usados en Australia y Nueva Zelanda.
Además, debido a que no hay diodos o componentes
similares montados en la propia manta, las terminaciones de los
extremos del elemento pueden hacerse mucho más rápidamente, usando
técnicas que son bien conocidas y llevadas a la práctica por los
fabricantes de mantas.
La Fig. 5 muestra un cojín de calentamiento de
acuerdo con la presente invención. En el caso de una manta, ya sea
una manta encimera o una manta bajera, la manta está prevista para
ser usada en una cama sencilla o doble y es del tamaño
correspondiente. Por contra, un cojín calentador para uso personal
está previsto para proporcionar un calentamiento localizado a una
parte del cuerpo, por ejemplo en una silla o bajo los pies, y en
consecuencia el cojín es de un tamaño comparativamente pequeño,
siendo típicamente de 40 cm x 30 cm.
Haciendo referencia a la Fig. 5, sobre el cojín
está montado un elemento calentador 31 el cual, como en la
disposición de las Figs. 1 a 4, comprende un conductor interior
separado de un conductor exterior coaxial por una capa aislante
interior, estando los conductores rodeados por una capa aislante
exterior.
Como en las disposiciones previas, el elemento
calentador 31 puede estar montado sobre el cojín 30 en un patrón
de configuración tortuoso o enrevesado, tal como se muestra
esquemáticamente, con el fin de extenderse substancialmente sobre
todo el área del cojín. Sin embargo, esto no es esencial, y son
posibles otras configuraciones del elemento calentador. Por
ejemplo, la disposición del elemento calentador puede ser del tipo
mostrado en las Figs. 1, 3 ó 4. Sin embargo, con el fin de
proporcionar un precalentamiento rápido del cojín, los tramos
adyacentes del elemento calentador del cojín calentador están
dispuestos a una distancia entre tramos mucho más pequeña que en el
elemento de la manta eléctrica y típicamente la distancia entre
tramos adyacentes puede ser de 12 mm a 15 mm.
En un extremo 32 del elemento calentador, los dos
conductores están conectados eléctricamente entre sí y aislados
externamente. En el otro extremo del elemento, los conductores
coaxiales están conectados por un cable eléctrico de dos conductores
33 a través de un enchufe de dos clavijas (no mostrado) a un
suministro de red de 240 V de CA, estando previsto en el cable un
conjunto de fusible y conmutador de control, tal como será
descrito.
En la particular disposición mostrada a modo de
ejemplo en la Fig. 5, la porción del elemento calentador 31 que
está cerca del cable de dos conductores 33 es una parte del
elemento en la que un cortocircuito, causado por un
sobrecalentamiento del cojín, dará una corriente muy elevada para
hacer actuar al fusible. Esta porción del elemento calentador
comprende dos tramos 31A y 31B del elemento, los cuales se extienden
alrededor de la periferia del cojín 30, y una porción intermedia
31C que se extiende a través de una parte central del cojín. El
resto del elemento 31 se extiende en una configuración tortuosa
desde el extremo de la porción 31B hasta el punto 32.
Puesto que se puede desear hacer funcionar el
cojín calentador a una temperatura más alta que una manta
eléctrica, el aislante entre los conductores interior y exterior
del elemento calentador 31 es un polietileno de un punto de fusión
más alto que tiene una temperatura de fusión en la región de
aproximadamente 135ºC a 145ºC. Como en las disposiciones descritas
previamente, el conductor interior del elemento calentador será de
una construcción de aleación de baja resistencia o de cobre
entorchado. El conductor exterior será de una aleación de alto
coeficiente de temperatura y alta resistencia bobinado a una
tolerancia de resistencia ajustada.
Tal como se ha mencionado previamente, los
cojines calentadores personales funcionan típicamente a
aproximadamente diez veces la relación potencia/unidad de área de
una manta eléctrica bajera. Debido a esto pueden precalentarse muy
rápidamente, de modo que es deseable alguna forma de control
automático de temperatura para impedir que el elemento calentador
falle y ocasione un cortocircuito durante el uso "normal" y
bajo un abuso poco severo. También, si se produce un abuso en el
cojín relativamente pequeño, llevando a un cortocircuito en algún
sitio en los tramos del elemento calentador, los cuales están a
una distancia muy corta, la disipación de potencia en la porción
activa restante del elemento aumentará incluso más que la gama
alta de funcionamiento normal. Esto llevará rápidamente a otros
fallos por cortocircuito, y por consiguiente a un fallo del
fusible, a medida que la corriente de entrada aumente
rápidamente.
En la Fig. 6 se muestra esquemáticamente una
forma de circuitería de conmutación de control electrónico
adecuada para controlar el elemento calentador en las disposiciones
de la Fig. 1 o Fig. 5. El conjunto de control comprende un fusible
34, un conmutador electrónico 35, una resistencia de
monitorización de corriente de valor bajo 36 y una circuitería de
control electrónico mostrada esquemáticamente con la referencia
numérica 37.
En la manta eléctrica o cojín calentador
personal, la resistencia del elemento calentador (mostrado
esquemáticamente en 38 en la Fig. 6) cambia con la temperatura y la
circuitería electrónica 37 está dispuesta para detectar los cambios
de resistencia y controlar la temperatura del elemento en
respuesta al cambio en la resistencia, con el fin de mantener la
temperatura a un valor preasignado. El conmutador de control puede
proporcionar hasta tres niveles de regulación de temperatura, o
puede proporcionar un control variable.
La circuitería 37 incorpora un SCR o triac para
controlar el suministro de potencia a los conductores. Si se
produce un cortocircuito, aumenta la corriente a través de la
resistencia de detección 36. Dado que la circuitería electrónica ve
un aumento de corriente como una reducción en la temperatura del
elemento calentador, la misma ordena al SCR o triac que esté
conectado durante más tiempo, proporcionando así un tiempo adecuado
para que se funda el fusible 34.
Puesto que para un cojín calentador para uso
personal es deseable tener un tiempo de precalentamiento rápido,
la circuitería 37 proporciona una velocidad de elevación de
temperatura del elemento calentador que es independiente de la
regulación de temperatura de la circuitería y proporciona una
elevación de temperatura de 100ºC es aproximadamente cinco
minutos.
La Fig. 7 muestra una versión modificada y
preferida de la circuitería de control mostrada en la Fig. 6.
\newpage
La resistencia R_{L} del elemento calentador 38
a una temperatura de TºC viene dada por:
\hskip2cmR_{L} = R_{0} (1+ \alphaT)
donde:
\hskip0.95cmR_{0} = resistencia a 0ºC
\hskip2cm\alpha = coeficiente de resistividad del elemento calentador
Dado que R_{L} a temperatura ambiente, digamos
20ºC, = \frac{E^{2}}{W}
donde:
\hskip0.95cmE = tensión de alimentación en voltios
\hskip2cmW = potencia normal en watios
es posible calcular R_{0}.
Con el propósito de efectuar un control
automático de la temperatura, la corriente a través del conmutador
S1, y a través de la resistencia de carga R_{L} del elemento
calentador 38, es monitorizada por la resistencia R1 (típicamente 1
ohmio). La tensión a través de la resistencia R1 es comparada con
una tensión de referencia V_{ref} derivada del suministro de
rodillos de entintado a través de unas resistencias R2 y R3. Cuando
el elemento calentador está a la temperatura preasignada deseada,
la tensión a través de la resistencia R1 es igual a V_{ref}.
Los valores de R2 y R3 son escogidos de manera
que:
V_{alimentación}\cdot\frac{R3}{R2+R3}=V_{ref}
= V_{alimentación}\cdot \frac{R1}{R1+ \ valor \ caliente \ de \
R_{L}}
Debería tomarse nota de que la regulación de
temperatura es independiente de la tensión de suministro. De
acuerdo con ello, cuando el voltaje a través de R1 cae por debajo
del valor de V_{ref}, el comparador C1 conmuta y desconecta el
conmutador electrónico S1. Ahora, el elemento calentador se enfría
y su resistencia R_{L} disminuye. A intervalos regulares, según
son determinados por un cronómetro, el conmutador electrónico S1 se
conecta de nuevo por un corto período durante el cual se hace un
muestreo de la salida desde el comparador C1. Si R_{L} ha
disminuido lo suficiente (es decir, el elemento se ha enfriado)
como para hacer que la tensión a través de R1 sea mayor que la
tensión de referencia V_{ref}, entonces el comparador C1 se
rebaja, permitiendo el funcionamiento de la circuitería de pulso
de encendido, con lo que se mantiene el conmutador electrónico S1
conectado hasta que el valor de la tensión a través de R1 ha caído
de nuevo hasta V_{ref}.
Con el fin proporcionar un precalentamiento
rápido del elemento calentador, la tensión de referencia,
determinada por R2 y R3, puede ser disminuida durante los primeros
pocos minutos de funcionamiento (digamos de 5 a 10 minutos) mediante
la puesta a tierra de un extremo de la resistencia R5, reduciendo
así de manera efectiva el valor de R3. Esto significa que el
elemento calentador tiene ahora que conseguir incluso más calor
antes de que la tensión a través de R1 haya caído hasta el valor
determinado por R2 y la combinación en paralelo R3/R5.
Al final de este período de precalentamiento
rápido, el cronómetro va fuertemente al revés, polarizando el
diodo D1 en serie con las resistencias R5. La tensión de
referencia, a su vez, vuelve atrás hasta el valor establecido sólo
por R2 y R3. Así, el elemento se enfría y el control empieza otra
vez sólo cuando la tensión a través de R1 haya aumentado hasta el
nuevo valor de tensión de referencia.
También puede estar incorporado un control manual
de temperatura del elemento calentador. Esto se puede conseguir
permitiendo que el valor efectivo de R3 sea aumentado manualmente,
ya sea de manera continua o en pasos discretos, para proporcionar
regulaciones de calor más bajo. Una tal disposición se muestra en la
Fig. 8, la cual es una modificación de una parte del circuito de
la Fig. 7.
Como antes, si se conoce el valor de la
resistencia R_{L} del elemento calentador a la temperatura de
control deseada, entonces
\frac{R1}{R1+R_{L} \ a \ la
\ regulación \ de \ temp. \ requerida}=\frac{R3+R6}{R2+R3+R6} \ o \
=\frac{R3+R7}{R2+R3+R7}
En la práctica, los valores de R3, R5, R6 y R7 se
podrían escoger con el fin de dar:
| R5 en el circuito | |
| (sólo periodo de precalentamiento): | temperatura del elemento = 100ºC |
| R5 fuera del circuito | |
| (después del precalentamiento): | temperatura del elemento = 80ºC |
| (regulación alta) | |
| R6 dentro del circuito: | temperatura del elemento = 60ºC |
| (regulación media) | |
| R7 dentro del circuito: | temperatura del elemento = 45ºC |
| (regulación baja) |
Tal como se ha indicado, los valores de las
resistencias de las regulaciones de temperatura son independientes
de la tensión del suministro de red.
De manera similar, se pueden añadir otras
características tales como una compensación automática de las
resistencias del elemento mediante el ajuste de la tensión de
referencia en una cantidad proporcional a la \pmvariación de
tolerancia en el valor inicial, es decir, en frío, de la
resistencia del elemento.
Claims (21)
1. Un conjunto calentador que comprende un panel
calentador flexible (10) y unos componentes eléctricos que
proporcionan un circuito eléctrico para calentar el panel,
incluyendo los componentes eléctricos un elemento calentador
eléctrico (11) montado directamente sobre el panel y comprendiendo
unos conductores bobinados coaxiales interior y exterior (12, 13)
separados por una capa eléctricamente aislante (14) y rodeados por
una capa exterior eléctricamente aislante (15), un cable eléctrico
(19) para conectar el elemento calentador a un suministro de
potencia, un conmutador de control eléctrico (23) para controlar
el funcionamiento del elemento calentador, y un dispositivo de
fusible (22) situado para ser accionado en el caso de que ocurra un
cortocircuito entre los conductores (12, 13) del elemento
calentador como resultado de una rotura de cualquier parte de dicha
capa aislante interior (14), siendo dicho elemento calentador (11)
el único componente de dicho circuito eléctrico que está montado
directamente sobre el panel calentador flexible (10),
comprendiendo dicho cable para conectar el elemento calentador al
suministro de potencia un cable eléctrico flexible de dos
conductores (19) que conecta el elemento calentador (11) a los
otros componentes (22, 23) del circuito eléctrico, y
caracterizado porque la capa aislante interior (14) tiene un
punto de fusión más bajo que el de la capa aislante exterior (15),
y porque los conductores interior y exterior (12, 13) están directa
y eléctricamente conectados el uno al otro en un extremo del
elemento calentador (11).
2. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el circuito eléctrico incluye un
conector (17, 18, 20) de enchufe de dos clavijas y base separables
situado en el cable flexible de dos conductores (19) adyacente al
panel calentador (10).
3. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que los conductores coaxiales (12, 13)
del elemento calentador (11) están conectados de manera que los
mismos conducen la misma corriente en direcciones opuestas a lo
largo del elemento.
4. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 3, en el que los conductores (12, 13) del elemento
calentador están conectados entre sí en un extremo (16), estando
los extremos opuestos de los conductores conectados respectivamente
a los conductores del cable eléctrico de dos conductores (19).
5. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que ambos extremos del elemento calentador
(11) están colocados junto a un borde lateral del panel calentador
(10), y una porción (C) del elemento calentador intermedia entre los
extremos del mismo está situada junto al borde lateral opuesto del
panel calentador.
6. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que unos tramos del elemento calentador
(11) situados a lo largo de una mitad de la longitud del mismo
están dispuestos generalmente a lo largo de unos tramos del elemento
situados a lo largo de la otra mitad del mismo.
7. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que el elemento calentador (11) está
montado sobre el panel calentador en una configuración tortuosa,
estando cada tramo del elemento que está más cerca de un extremo del
elemento dispuesto al lado y a lo largo de otro tramo que está a
una distancia similar del extremo opuesto del elemento.
8. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 6 ó 7, en el que la distancia entre tramos
adyacentes del elemento calentador (11) está en general en el
intervalo de 12 a 15 mm.
9. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 4, en el que un primer tramo menor (31A, 31B, 31C)
del elemento calentador, que se extiende alejándose del extremo
del mismo que está conectado al cable flexible de dos conductores
(33), se extiende a través de una región del panel calentador
adyacente a la conexión del elemento al cable de dos conductores,
a través de una región del panel más alejada de la conexión al
cable de dos conductores, y a través de una región del panel
intermedia de las dos regiones citadas en primer lugar.
10. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
circuito eléctrico, cuando está conectado a un suministro de
potencia de corriente alterna, permite que una corriente alterna de
onda completa fluya a través del elemento calentador (11).
11. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
circuito eléctrico incluye unos medios de control (24, 26, 27, 28;
29) para permitir una variación en la corriente que fluye a través
del elemento calentador (11).
12. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 11, en el que dichos medios de control incluyen un
diodo rectificador (28) y unos medios de conmutación (24)
seleccionables para poner el diodo dentro o fuera del circuito con
el elemento calentador (11).
13. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 11, en el que dichos medios de control comprenden
un regulador de energía (29) mecánico o electrónico.
14. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
circuito eléctrico incluye unos medios (36, 37) para detectar el
cambio de resistencia del elemento calentador (38) con el cambio de
temperatura y para controlar la temperatura del elemento en
respuesta al cambio en la resistencia para mantener la temperatura
en un valor preestablecido.
15. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 14, en el que dichos medios para detectar el cambio
de resistencia del elemento calentador comprenden una resistencia
de monitorización de corriente (R1) conectada al elemento calentador
(38) con el fin de que un aumento de temperatura, y por
consiguiente de resistencia, de cómo resultado una disminución de
la corriente que fluye a través de la resistencia de
monitorización, incluyendo además el circuito unos medios (S1) para
reducir la energía suministrada al elemento calentador en
respuesta a una caída en la corriente que fluye a través de la
resistencia de monitorización (R1), y para aumentar la energía
suministrada al elemento calentador (38) en respuesta a una
elevación en la corriente que fluye a través de la resistencia de
monitorización.
16. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 15, en el que el circuito eléctrico incluye
ulteriores resistencias (R2, R3) conectadas a través del suministro
de potencia para proporcionar una tensión de referencia, de manera
que la tensión a través de la resistencia de monitorización (R1)
es igual a la tensión de referencia a una temperatura deseada del
elemento calentador, estando previstos unos medios (D1, R5) para
variar selectivamente la tensión de referencia con el fin de variar
la temperatura deseada.
17. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 16, en el que los medios para variar la tensión de
referencia comprenden unos medios para conectar selectivamente en
serie una o más resistencias de regulación (R6, R7) con una de
dichas resistencias (R2, R3) que determinan la tensión de
referencia.
18. Un conjunto calentador, de acuerdo con la
reivindicación 17, en el que el circuito eléctrico incluye además
unos medios de cronometración para conectar automáticamente en
serie una de dichas resistencias de regulación (R5) con la
mencionada una de las resistencias (R2, R3) que determinan la
tensión de referencia durante un período predeterminado cuando el
elemento calentador (38) es conectado inicialmente al suministro
de potencia, con el fin de proporcionar un rápido período de
precalentamiento.
19. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la capa
aislante (14) dispuesta entre los conductores tiene un punto de
fusión que es de 40ºC a 60ºC más bajo que el punto de fusión de
dicha capa aislante exterior (15) que rodea el conductor
exterior.
20. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el punto
de fusión de la capa aislante (14) está en el intervalo de
aproximadamente 135ºC a 145ºC.
21. Un conjunto calentador, de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el
dispositivo de fusible (22) es un fusible de acción lenta.
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