ES2306935T3 - Dispositivo de calefaccion electrica con detector de corriente. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de calefacción eléctrica con un elemento calefactor de resistencia (108), que presenta una resistencia en función de la temperatura y que se puede conectar térmicamente con un medio a calentar(106), caracterizado por un elemento sensor (400) para la medición de la corriente, que fluye durante el funcionamiento del dispositivo calefactor a través del elemento calefactor de resistencia (108), y una unidad de control (112, 212), que está configurada de tal manera que reconoce una bajada brusca de la corriente a través del elemento calefactor de resistencia debido a una modificación del estado físico del medio a calentar, y controla una alimentación de potencia al elemento calefactor de resistencia en función del estado físico del medio a calentar, en el que la unidad de control presenta un comparador (402) para la comparación de la corriente medida con un valor de referencia (404) y puede ser accionado para activar un conmutador de potencia (408) en respuesta a una señal de salida del comparador (402).

Description

Dispositivo de calefacción eléctrica con detector de corriente.

La presente invención se refiere a un aparato de calor eléctrico para el calentamiento de un recipiente a través de un medio de transmisión de calor. El aparato de calor presenta una copa en, la que se puede insertar el recipiente para el calentamiento y un dispositivo de calefacción eléctrica con al menos un elemento calefactor de resistencia para el calentamiento del medio de transmisión de calor.

La evaporación de agua en un aparato de calor eléctrico se necesita en los llamados vaporizadores, es decir, en aparatos de esterilización, por ejemplo en biberones. La supervisión y control de la alimentación de potencia en estos aparatos se realiza en este caso la mayoría de las veces a través de una supervisión de la temperatura, como se muestra, por ejemplo en el documento US 4.716.278. Pero en este caso se puede alimentar innecesariamente potencia calefactora, en el caso de que se caliente todavía, cuando ya se ha evaporado todo el agua.

Otra disposición conocida de un esterilizador se muestra en el documento US 3.347.618. En este esterilizador se realiza la desconexión de la potencia calefactora inmediatamente después de la evaporación de toda la reserva de agua porque la calefacción se realiza sobre electrodos abiertos y aparece un flujo de corriente directamente a través del agua rellena. Esta solución tiene, sin embargo, inconvenientes claros desde el punto de vista técnico de la seguridad.

Tales aparatos de calor eléctrico se emplean con frecuencia, además, para el calentamiento de comida infantil que se encuentra en un recipiente. En este caso, además del calentamiento de la comida infantil en el baño de agua se conoce también calentar comida infantil por medio de vapor de agua como medio de transmisión de calor. Se conoce, por ejemplo, a partir del documento DE 102 14 905 C1 un calentador eléctrico de comida infantil con vapor de agua. La ventaja de esta solución consiste en que solamente debe evaporarse una cantidad de agua muy reducida y en virtud de la alta temperatura y de la entalpía de evaporación del vapor de agua se puede llevar a cabo un calentamiento rápido y con ahorro de energía de la alimentación infantil. Después de la interrupción de la alimentación de potencia calefactora, la cantidad de agua reducida cae de una manera comparativamente rápida por debajo del punto de ebullición y no se produce ya ninguna transmisión de calor al recipiente de alimentación. Por lo tanto, se puede evitar un recalentamiento de la comida infantil a calentar. En los calentadores de comida infantil conocidos del tipo mencionado se realiza, sin embargo, el control de la potencia a través de un reloj, que realiza una desconexión de la alimentación de potencia después de alcanzar un tiempo de calefacción regulable. El reloj tiene en este caso la función de asegurar una temperatura definida de la alimentación a calentar también en el caso de cantidades de alimentación y temperaturas de alimentación variables, pero se requiere siempre la misma cantidad de líquido para una función perfecta. Esto es difícil en el caso de volúmenes comparativamente reducidos, puesto que la mayoría de las veces no se pueden rellenar con exactitud suficiente cantidades de agua pequeñas (por ejemplo entre 10 ml y 20 ml) con procedimientos de medición domésticos. Por lo tanto, un reloj de este tipo representa una solución especialmente fácil de control y de coste favorable del control de potencia.

Si se emplea de una manera alternativa en los aparatos de calor mencionados, un termostato para la regulación de la alimentación de potencia calefactora, entonces existe el in conveniente de la complejidad considerable de la activación y de la medición de la temperatura.

El documento FR-A-1 513 453 publica una instalación de calefacción eléctrica, que comprende un termistor con un coeficiente de temperatura positivo de la resistencia eléctrica. Además, la disposición mostrada en esta publicación comprende una instalación de control o regulación, 183, sin embargo, a diferencia de la presente invención, contiene el dispositivo de calefacción como componente integral para su comportamiento de regulación. En este caso, se trata de componentes que forman, junto con el elemento calefactor PTC, el circuito de regulación característico.

El documento US-A-3 187 164 se refiere a un dispositivo para la protección de un aparato eléctrico. En este caso, para la protección del aparato eléctrico contra sobrecarga térmica se conecta una resistencia acoplada térmicamente con el objeto a proteger con coeficiente de temperatura positivo en serie en el circuito de alimentación del aparato eléctrico. La resistencia PTC tiene un coeficiente de temperatura tan alto y está en contacto térmico con el objeto a proteger, de tal forma que cuando se alcanza el valor crítico de la temperatura, la corriente de trabajo del dispositivo se prolonga sobre la parte inclinada negativamente de la curva característica de la tensión de la corriente de la tensión de la resistencia PTC.

El documento US-A-3 584 196 se refiere a una olla de cocción, en la que el dispositivo de calefacción presenta una resistencia PTC y una resistencia calefactora metálica, que están conectadas en serie. Además, está previsto un disco bimetálico, que es convexo a temperatura ambiente y, por lo tanto se vuelve cóncavo por encima de una temperatura predeterminad y de esta manera se eleva la olla de cocción. La elevación de la olla de cocción debilita el acoplamiento térmico entre la olla de cocción y la resistencia PTC y eleva la temperatura de la resistencia PTC. Por consiguiente, se eleva el valor de la resistencia para reducir la corriente que fluye a través de la unidad calefactora. Después de la reducción de la corriente se utiliza una potencia eléctrica reducida, desarrollada principalmente por la resistencia PTC para el calentamiento de la nutrición ya cocida.

El documento US-N1-6 661 967 muestra un dispositivo calefactor para un dispositivo de evaporación, que puede desplazar, por ejemplo, aire espacial con substancias aromáticas evaporadas. El dispositivo de calefacción, que se publica en esta publicación, comprende una resistencia calefactora con un valor de la resistencia de 10 k\Omega y dos resistencias previas diferentes, que se pueden conectar opcionalmente por un usuario con la ayuda de un conmutador en el circuito de corriente. En este caso, la decisión acerca de la resistencia que debe utilizarse es tomada por el usuario.

El documento US-A-4 759 189 se refiere a un dispositivo de actuación electrotérmico auto-limitador, que genera un movimiento mecánico con la ayuda de diferentes elementos calefactoras, especialmente un elemento calefactor de resistencia y un elemento calefactor PTC. En este circuito no se utiliza ningún control adicional para la detección de la corriente a través del elemento PTC, sino que el circuito en serie, formado por el elemento calefactor de resistencia y el elemento calefactor PTC, sirve en sí como circuito de regulación. Pero la alimentación de carga se mantiene hasta que deba activarse el pistón. La alimentación de potencia no tiene nada que ver con el flujo de corriente a través del elemento calefactor.

El documento US-B1-6 222 989 se refiere a un dispositivo calefactor para la nebulización de productos químicos, en la que un circuito en serie, formado por un elemento calefactor PTC y un elemento calefactor de resistencia se utiliza para limitar la corriente a través de la disposición y de esta manera mantener constante la temperatura.

El cometido en el que se basa la presente invención, consiste, por lo tanto, en indicar un aparato de calor eléctrico mejorado del tipo mencionado al principio, en el que la alimentación de potencia se puede realizar de una manera eficiente con una configuración al mismo tiempo de coste especialmente favorable del control.

Este cometido se soluciona de acuerdo con la invención por medio de un dispositivo de calefacción eléctrica con las características de la reivindicación 1 de la patente.

Las configuraciones ventajosas de la presente invención son objeto de varias reivindicaciones dependientes.

La presente invención se basa en el reconocimiento de que en un aparato de calor eléctrico del tipo indicado al principio, el flujo de corriente a través del elemento de resistencia está influenciado por el estado físico del medio de transmisión de calor, que está en contacto térmico directo con el elemento calefactor de resistencia. Si se prevé un elemento sensor para la medición de la corriente, que fluye durante el funcionamiento del dispositivo de calefacción, a través del elemento calefactor de resistencia, se puede utilizar esta corriente para determinar cuándo el medio de transmisión de calor ha pasado a la fase de vapor y, por lo tanto, cuándo se puede realizar una desconexión de la alimentación de potencia. Especialmente en el caso de un aparato de esterilización, se puede establecer a este respecto exactamente el instante, a partir del cual el producto de esterilización está rodeado realmente por la cantidad deseada de vapor de agua. La solución de acuerdo con la invención ofrece la ventaja de que la alimentación de potencia eléctrica se puede interrumpir de forma inmediata en función de la corriente medida, cuando se ha producido la modificación pretendida del estado físico en general y, por lo tanto, se pueden ahorrar energía y tiempo.

De acuerdo con un desarrollo ventajoso de la presente invención, como elemento calefactor de resistencia se utiliza una resistencia con coeficiente de temperatura positivo, una llamada resistencia PTC. Tales resistencias PTC ofrecen la ventaja de que a bajas temperaturas se puede alimentar una potencia inicial alta y se puede producir un comportamiento de potencia auto-regulador a medida que se incrementa la temperatura. Una resistencia PTC comprende, por ejemplo, una cerámica PTC, que se fabrica de cerámica policristalina dotada a base de titanato de bario en el procedimiento de sinterización. En el intervalo de una temperatura de referencia pre-dimensionada para el módulo respectivo, la llamada temperatura de regulación, el valor de la resistencia PTC cambia de un comportamiento de baja impedancia a un comportamiento de alta impedancia y en este caso se eleva de forma repentina en varios números elevados a la décima potencia. Por lo tanto, con la selección correspondiente de la temperatura de referencia, la transición del medio de transmisión de calor a la fase de vapor puede elevar la temperatura en la resistencia PTC por encima de la temperatura de regulación, de manera que la modificación del estado físico conduce a una bajada brusca de la corriente a través de la resistencia PTC. De acuerdo con la invención, el sensor de corriente mide, por lo tanto, como modificación de la corriente característica, una bajada brusca de la corriente.

De una manera ventajosa, el contenido de información de la corriente que fluye a través del elemento calefactor de resistencia se puede aprovechar para un control de la potencia, cuando la unidad de control del aparato de calor eléctrico presenta un comparador, que compara la corriente medida con un valor de referencia. La consecución de este valor de referencia se puede utilizar entonces como señal para una desconexión de la potencia. En el caso de una calefacción necesaria que dura más tiempo, como puede ser el caso en aparatos de esterilización, también es posible detectar cuándo el medio de transmisión de calor de condensación se ha precipitado de nuevo en una medida inadmisiblemente alta, en la que, por ejemplo, el elemento calefactor de resistencia ha sido atravesado por la corriente durante corto espacio de tiempo y la circulación de la corriente es supervisada por la unidad de control.

Por medio de una referencia de tiempo se puede determinar, además, si se ha llenado una cantidad demasiado reducida del medio de transmisión de calor y el usuario puede ser avisado de una manera correspondiente de que el proceso de calefacción no se ha realizado como estaba previsto.

Además, también se puede supervisar la dinámica de la corriente a través del elemento calefactor de resistencia. En este caso, por medio de una diferenciación del valor medido de la corriente a través de un diferenciador previsto en el control, se puede detectar la bajada repentina de la corriente. Esta solución ofrece la ventaja de un tiempo reducción de detección así como de una sensibilidad reducida frente a las modificaciones de la corriente de corta duración debido a tolerancias, influencias de la temperatura o modificaciones de la tensión. No obstante, en esta forma de realización debería asegurarse que o bien se suprime la bajada de la corriente después del poco de la corriente de conexión o, en cambio, la calefacción PTC está dimensionada de tal forma que presenta una corriente de conexión suficientemente reducida.

Una supervisión de la corriente a través del elemento calefactor de resistencia en un aparato de calor eléctrico del tipo indicado al principio ofrece, además, la ventaja de que se pueden reconocer precozmente los errores producidos en el contacto eléctrico.

La detección y la supervisión de acuerdo con la invención a través de un elemento calefactor de resistencia, que está en contacto térmico con un medio a calentar, se puede emplear evidentemente también en otros campos de aplicación para supervisar el estado físico de un medio a calentar y para ajustar una potencia calefactora de acuerdo con el estado detectado del agregado.

Con la ayuda de las configuraciones representadas en los dibujos adjuntos se explica en detalle la invención a continuación. Los detalles similares o correspondientes se proveen en las figuras con los mismos signos de referencia. En este caso:

La figura 1 muestra una sección a través de un aparato de esterilización eléctrica con recipiente ajustado en el estado preparado para el funcionamiento.

La figura 2 muestra una sección a través de un calentador de comida infantil eléctrico con biberón ajustado en el estado preparado para el funcionamiento.

La figura 3 muestra una representación de la curva de tiempo de la corriente a través de un elemento calefactor de resistencia PTC.

La figura 4 muestra una representación esquemática del dispositivo calefactor eléctrico para un aparato de calor eléctrico de acuerdo con la invención según una forma de realización posible.

La figura 1 muestra en una representación esquemática un aparato de esterilización eléctrica 100 con un biberón ajustado en el estado preparado para el funcionamiento. El aparato de calor eléctrico presenta en este caso una copa 102, en la que se puede insertar el recipiente 104 a calentar, aquí por ejemplo un biberón. La copa 102 se llena con el medio de transmisión de calor 106, aquí agua y un elemento calefactor de resistencia PTC 108, que está en conexión térmica con el agua 106, se puede alimentar con energía eléctrica para el calentamiento del agua. Cuando se calienta el electro calefactor de resistencia 108, se calienta el agua 106 y comienza a evaporarse.

Para generar una atmósfera de vapor cerrada para la esterilización del recipiente 104, se cierra la copa con una tapa 110. La alimentación de potencia se regula con la ayuda de la unidad de control 112 indicada de forma esquemática. En este caso, como se explica todavía con mayor precisión a continuación con referencia a la figura 3, en la curva de tiempo de la corriente a través del elemento calefactor de resistencia PTC 108 se produce una bajada repentina, cuando todo el agua 106 ha pasado a la fase de vapor.

Para la mayoría de los casos de aplicación es suficiente ajustar la alimentación de potencia, tan pronto como se ha evaporado todo el agua, porque el vapor en el espacio de vapor cerrado, que está formado por la copa 102 y la tapa 110, se mantiene durante un periodo de tiempo suficientemente largo al nivel de temperatura alto deseado.

Otra forma de realización posible del aparato de calor eléctrico de acuerdo con la invención se representa en la figura 2. Como se deduce a partir de la figura 2, el calentador de comida infantil 200 presenta una copa 202, en la que está insertado un recipiente 104 para el calentamiento de comida infantil, aquí una botella de succión infantil. El elemento calefactor de resistencia PTC 108 está en comunicación con el medio de transmisión de calor 106, aquí de nuevo agua, de tal manera que se calienta cuando se alimenta potencia eléctrica. La copa 202, el elemento calefactor de resistencia PTC 108 así como la unidad de control 212 están alojados en la carcasa 214 que está fabricada de una manera preferida de plástico. El calentador de comida infantil mostrado en la figura 2 presenta, además, una tapa 210, que tiene, en la forma de realización mostrada, una configuración en forma de anillo y cubre el espacio intermedio entre la copa 202 y el recipiente 104 frente al medio ambiente, de tal forma que se genera una cámara esencialmente cerrada para la retención del vapor de agua. Para calentar el contenido del biberón 104, se llena una pequeña cantidad de agua antes de la colocación de la tapa 210 y el ajuste del biberón 104. Después de la colocación de la tapa y de la introducción del biberón 104 se puede alimentar potencia eléctrica a través del elemento calefactor de resistencia PTC 108 y el agua 106, que se encuentra en la zona del fondo de la copa 202 comienza a hervir rápidamente y a pasar a vapor agua. El espacio hueco formado por la tapa 210, las paredes interiores de la copa y las paredes exteriores del biberón 104 se llena de esta manera con vapor de agua a presión atmosférica. Puesto que el agua tiene muy buenas propiedades de transmisión de calor se cede la energía almacenada en el vapor de agua en una gran parte al biberón 104 y se calienta la comida infantil que se encuentra allí. De acuerdo con ello, se puede desconectar la alimentación de potencia eléctrica ya cuando todo el agua 106 ha sido transferida a vapor de agua. A tal fin, como se explica en detalle todavía a continuación con referencia a las figuras 3 y 4, se supervisa la corriente, que fluye a través del elemento calefactor de resistencia PTC 108, y se desconecta la potencia calefactora, tan pronto como esta corriente indica que todo el agua ha pasado a vapor de agua.

Aunque en las figuras 1 y 2 se muestra como recipiente 104 una botella de succión infantil, se puede emplear evidentemente otro recipiente opcional 104 en los aparatos de calor eléctrico 100, 200.

Con referencia a la figura 3 se explica en detalle a continuación la idea básica de la solución de acuerdo con la invención de una supervisión de corriente de un elemento calefactor de resistencia 108. En la figura 3 se muestra la curva de tiempo de la corriente a través de un elemento calefactor PTC, que está en contacto con agua. Después de la conexión se puede reconocer en primer lugar un pico de tensión 1, la corriente de conexión, que fluye hasta que se ha alcanzado un estado térmicamente estacionario y ha atravesado la resistencia mínima R_{min} del elemento calefactor de resistencia PTC. A continuación se consigue (como se simboliza por medio del número de referencia 2) un estado térmicamente estacionario, mientras el agua hierve y pasa cada vez en mayor medida al estado de vapor. Este estado estacionario se refleja en un flujo de corriente constante a través del elemento calefactor PTC. En el momento, en el que se ha evaporado todo el agua, se eleva la temperatura a través de la calefacción y en virtud del efecto PTC aplicado, se reduce el consumo de potencia y de esta manera disminuye exponencialmente el flujo de corriente a través del elemento calefactor PTC. Con un diseño adecuado de elemento calefactor se puede utilizar la bajada repentina de la corriente, representada a través del número de referencia 3, como información sobre toda la conversión del agua al estado agregado en forma de vapor.

Como se muestra en la figura 4, la unidad de control 112, 112 contiene un sensor de corriente 400, que está conectado en serie con el elemento calefactor 108. El elemento calefactor 108 está en contacto térmico directo con el medio de transmisión de calor 106 y presenta en el funcionamiento una curva de la corriente temporal, que es medida por un sensor de corriente 400 de acuerdo con la invención. Un comparador 402 compara el valor medido de la corriente con un a referencia 404 fijamente programada o ajustable. Una lógica de evaluación 406 controla, en función de la señal del comparador y en función de una señal inicial un conmutador de potencia 408. El conmutador de potencia establece la comunicación de una alimentación de tensión externa 410 con el elemento calefactor 108. El generador de la señal inicial 412 puede estar previsto para poner en marcha la lógica de evaluación 406.

Con la ayuda de la supervisión de corriente de acuerdo con la invención es posible desconectar la potencia calefactora alimentada inmediatamente después de la transición del estado físico y limitar de esta manera el consumo innecesario de energía.

Aunque la presente invención se ha explicado en conexión con la esterilización y el calentamiento de comida infantil, se puede utilizar evidentemente también para otras aplicaciones de calefacción, en las que se produce una conversión de un estado físico, por ejemplo una evaporación de agua. Además, en el elemento calefactor no tiene que tratarse de un elemento calefactor de resistencia PTC. También otros elementos calefactores de resistencia muestran curvas de corriente características, que contienen una información sobre una transición de fases en el medio a calentar.

Claims (6)

1. Dispositivo de calefacción eléctrica con un elemento calefactor de resistencia (108), que presenta una resistencia en función de la temperatura y que se puede conectar térmicamente con un medio a calentar(106), caracterizado por

un elemento sensor (400) para la medición de la corriente, que fluye durante el funcionamiento del dispositivo calefactor a través del elemento calefactor de resistencia (108), y

una unidad de control (112, 212), que está configurada de tal manera que reconoce una bajada brusca de la corriente a través del elemento calefactor de resistencia debido a una modificación del estado físico del medio a calentar, y controla una alimentación de potencia al elemento calefactor de resistencia en función del estado físico del medio a calentar,

en el que la unidad de control presenta un comparador (402) para la comparación de la corriente medida con un valor de referencia (404) y puede ser accionado para activar un conmutador de potencia (408) en respuesta a una señal de salida del comparador (402).

2. Dispositivo de calefacción eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento calefactor de resistencia (108) está formado por al menos una resistencia con coeficiente de temperatura positivo.

3. Dispositivo de calefacción eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la unidad de control presenta un diferenciador para la determinación de un gradiente de la curva de corriente temporal.

4. Aparato de calor eléctrico para el calentamiento de un recipiente (104) a través de un medio de transmisión de calor (106), en el que el aparato de calor (100, 200) presenta una copa (102, 202), en la que se puede introducir el recipiente para el calentamiento, y presenta un dispositivo de calefacción eléctrica de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores con al menos un elemento calefactor de resistencia (108) para el calentamiento del medio de transmisión de calor.

5. Aparato de calor eléctrico de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el medio de transmisión de calor (106) es agua y la modificación de la corriente característica está condicionada por la transición del agua a la fase de vapor.

6. Aparato de calor eléctrico de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la copa (102, 202) forma junto con una tapa (110, 210) un espacio esencialmente cerrado para la retención del medio de transmisión de calor (106) en forma de vapor.