WO2009027042A1 - Heizeinrichtung, verfahren zum betrieb einer heizeinrichtung und elektrowärmegerät einer solchen heizeinrichtung - Google Patents

Heizeinrichtung, verfahren zum betrieb einer heizeinrichtung und elektrowärmegerät einer solchen heizeinrichtung Download PDF

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WO2009027042A1
WO2009027042A1 PCT/EP2008/006836 EP2008006836W WO2009027042A1 WO 2009027042 A1 WO2009027042 A1 WO 2009027042A1 EP 2008006836 W EP2008006836 W EP 2008006836W WO 2009027042 A1 WO2009027042 A1 WO 2009027042A1
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heating element
heating device
heating
temperature
temperature sensor
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PCT/EP2008/006836
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French (fr)
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Franci Kovacic
Herbert Schinko
Wolfgang Thimm
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E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH
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    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B2214/00—Aspects relating to resistive heating, induction heating and heating using microwaves, covered by groups H05B3/00, H05B6/00
    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Definitions

  • Heating device A method of operating a heater and electric heater with such a heater
  • the invention relates to a heater with heating element, a method for operating such a heater and an electric heater with such a heater.
  • a hotplate in which BaTiO3 is used to control heating power is EP 853 444 A1.
  • a hotplate with PTC heating elements is described in WO 2004/080127 A1.
  • the materials mentioned are tungsten (resistivity 0.056 ohm mn ⁇ 7m), Vacon CF 25 cobalt alloy (resistivity 0.056 ohm mm 2 / m), and resistivity iron typically in the range 0.1-0.15 ohms mm 2 / m.
  • a typical sensor material, which as Heating conductor could be used is platinum with a resistivity of 0.1 ohm mm 2 / m.
  • the invention has for its object to provide an aforementioned heating device and an aforementioned method for operating such a heater with which problems of the prior art can be avoided and in particular novel, simple and technically advantageous ways to monitor the temperature of a heating element or Heating device can be created.
  • the heating device has a temperature sensor or an element serving as a temperature sensor, with which it or the heating element can be monitored during heating operation to an inadmissibly high overtemperature.
  • a heating element current flows during operation of the heating element through it.
  • the heating element is at least partially itself formed as a temperature sensor for temperature measurement by evaluating the course of the Schuelementstroms over time with determination of the temperature by an evaluation of Schuelementpressive and / or Schuelementstrom at a known value for the electrical resistance.
  • the temperature sensor is always flowed through by the heating element current or lies in the current path provided for the heating element.
  • the material of the heating element is a material having a resistivity of greater than 0.2 ohm mm 2 / m at 20 ° C without further materials with a resistance increase greater than the resistance increase of pure metals with 3.9 / 1000 K and / or without parallel or series connection of smaller specific resistances.
  • Particularly advantageous is a metallic material. This results in a number of possibilities for temperature monitoring, both in terms of a temperature detection per se and a shutdown of the heating element or the heater, so as to prevent the case of a critical overtemperature after detection. These possibilities are explained below.
  • the heating element or a part thereof may itself be designed as a temperature sensor or used and evaluated as such.
  • the course of the heating element current over time can be evaluated for temperature measurement.
  • at least partially serving as a temperature sensor heating element is already flowed through by the Schuelementstrom.
  • the specific resistance is greater than 0.9 ohm mm 2 / m at 20 0 C.
  • the PTC material is designed such that when the temperature increases, in particular when the temperature of the PTC material approaches a critical temperature limit that would be detrimental to the heater or electrical appliance, the electrical resistance of the PTC material increases so much, a limitation of the heating element current leads to a reduction of the electric power of the heating element, for example by at least 20%, so that the temperature decreases again due to the reduced power.
  • an increase in the electrical resistance of the PTC material does not even have to be too steep. Alternatively, just a very steep rise from a threshold temperature take place, through which the Schuelementstrom and thus the heating power are greatly reduced.
  • PTC materials are known to the person skilled in the art.
  • PTC materials are essentially only a positive increase in electrical resistance.
  • BaTiO 3 should be explicitly excluded.
  • conventional heat conductors with a generally relatively low temperature coefficient compared to pure metals, can also be used for the invention. It is advantageous that such materials have a specific electrical resistance, which is generally greater than that of pure metals (at about 1 ohm mm 2 / m), which is contrary to the use as a heating element.
  • the PTC material may be designed so that in a temperature range between 150 0 C and 250 0 C, an increase in the resistance is at least 10%, advantageously even more than 20%. This increase can be carried out substantially over some 10 0 C, for example over 20 0 C to 30 0 C. This is considered sufficient for a significant reduction in heating power and thus a resulting reduction in temperature.
  • the material of the heating element may contain components having a ferromagnetic phase transition.
  • a Curie point can advantageously be between 200 0 C and 1000 ° C. It may be particularly advantageous Fe, Ni, or Co contained.
  • voltage and / or current can be evaluated on the heating element to determine its temperature, in which case the heating element itself is the temperature sensor. This can be done either for the entire heating element or just for one section.
  • the temperature can be detected independently of a heating operation via the heating element, so that, for example, in an intended heating break, the heating element can also be used as a pure temperature sensor for a pure temperature measurement. Furthermore, this can also be used in a heating operation extra heating breaks to allow a better and trouble-free temperature measurement.
  • An evaluation of the temperature sensor or the heating element as a temperature sensor is advantageously carried out electronically.
  • the values for current or voltage are detected and, in particular via a signal transmission or signal conditioning to a controller such as a microcontroller or the like. given.
  • heating element is iron-nickel alloys, for example available from Fa. Kanthai as Nifethal 52 or Nifethal 70.
  • Alternative materials for the heating element may also be selected from the group of FeCrAI alloys and NiCr heating conductor alloys.
  • Yet other alternative materials for the heating element may have a coefficient of resistance between that of NiCr3020 and that of tungsten. Thus, good properties of the heating element can be achieved both during heating operation and for a temperature measurement.
  • the heating element may have as additive at least one material from the group Cr 1 Ni or Fe.
  • additives such as tungsten, molybdenum, or an alloy containing tungsten or molybdenum are possible.
  • Another possible additive is carbon in various modifications, for example in the form of carbon or so-called carbon nanotubes.
  • the heating element may be a layer of CT 2 O 3 or Al 2 O 3 .
  • the heating element itself can be insulated, wherein the insulation can have a high thermal conductivity greater than 1 W / mK. Insulation may consist essentially of SiO 2 , in particular of glass or glass ceramic, alternatively of MgO or of Al 2 O 3 .
  • the heating element may consist of a ceramic material.
  • it may be a doped ceramic material doped with Ce or La.
  • a high temperature superconductor such as YBCO-1-2-3 may be used.
  • a further embodiment of the invention with a temperature sensor which is at least functionally separate from the heating element can provide for this, although similar to a safety fuse, to be self-destructive when a limit temperature is exceeded.
  • a temperature sensor which is at least functionally separate from the heating element can provide for this, although similar to a safety fuse, to be self-destructive when a limit temperature is exceeded.
  • an admissible high limit temperature of the temperature sensor due to the choice of material already at a few 100 0 C begin to oxidize, such as tungsten under normal atmosphere.
  • the temperature sensor is designed so that it oxidizes after a few seconds, for example, 5 seconds to 15 seconds, at this temperature, so it self-destructing and thereby interrupts the flow of current. So there is no melting of a corresponding breaker element, but there is another, temperature-related destruction mechanism, but with the same result.
  • a response time or interruption time is longer, that is, for example, 5 seconds to 15 seconds.
  • the advantage prevails that thermal protection is not triggered by only short-term temperature peaks.
  • an electrical resistance of the heating element can be evaluated for temperature measurement or a resistance of the temperature sensor itself, which is then part of the heating resistor or serves for heating.
  • An inventive electric heater with such a heater may for example be a water heater or an aforementioned kettle.
  • the heating device can thus be designed to heat water in direct contact or indirectly.
  • it may be a hot plate or substantially only a heating element such as a tubular heater, which may then be installed in one of the aforementioned devices.
  • a tubular heater is arranged the heating element in a tube jacket and electrically insulated.
  • the serving as a temperature sensor part may advantageously be provided close to an end or electrical connection or a housing serving for it or in a connection housing.
  • a tube can be made of metal or glass or quartz glass.
  • 1 is a schematic representation of a water heater with wound heating element including series-connected temperature sensor
  • Fig. 2 is a greatly simplified circuit diagram of the electrical wiring of FIG. 1 and
  • Fig. 3 is a schematic representation of a so-called tubular heater with extending therein elongated heating element, of which a portion serves as a temperature sensor.
  • a heater 11 is shown having a water guide 12, which consists of a water-carrying pipe 13.
  • a water guide 12 which consists of a water-carrying pipe 13.
  • Such heaters are known and are used for example in the manner of a water heater for washing machines or dishwashers.
  • a heating element 15 advantageously a heating wire, applied, and wound.
  • a so-called exposed heating element 15 in a wound-up form, it would also be possible to provide a printed thick-film heating element, possibly also a plurality of alternatively sheathed tubular heating elements. These are explained below with reference to FIG. 3.
  • the heating element 15 is connected to a temperature sensor 17 in the form of a resistor.
  • the heating element 15 is provided with a first connection 19 as a main electrical connection, through which in particular the heating element current flows.
  • the other main electrical connection is made via the second connection 20 at the right end of the heating device 11, namely at the temperature sensor 17, so that there is always a series connection of heating element 15 and temperature sensor 17.
  • an intermediate tap 21 is provided at the other end of the temperature sensor 17 or at the connection to the heating element 15.
  • the temperature sensor is formed by the intermediate tap 21, the heating element 15 and the forming this conductor is divided into two parts functional, namely on the one hand in the functional part of the heating element, which heats only.
  • the second part also heats up and, by means of the intermediate tap 21 and the connection 20, additionally forms a described temperature sensor.
  • the production of the conductor can be in one piece, and by an applied contact field to get the intermediate tap 21.
  • two Parts or suitable conductors are connected to each other at the contact pad for the intermediate tap.
  • the electrical equivalent circuit diagram in FIG. 2 shows how, on the one hand, the series connection of heating element 15 and temperature sensor 17 is flowed through by heating current I. Furthermore, a control 23 is provided, which can detect the voltage across the part as a temperature sensor 17 via the intermediate tap 21 and via a connection to the second connection 20.
  • the heating element current I is controlled or applied by a control, not shown, of the heating element 15.
  • the heating element 15 heats the water flowing through the water guide 12, as is well known.
  • Part 17 contributes, albeit with a small share, as it is much shorter.
  • the controller 23 can determine the voltage and thus the electrical resistance of the temperature sensor 17 when the heating element current I is known.
  • the controller 23 may also be additionally connected to the first terminal 19 under certain circumstances. If an impermissibly high temperature is detected, the controller 23 can throttle or switch off the heating element current I.
  • the temperature sensor 17 has the above-mentioned PTC properties. In particular, these are such that when the temperature of the heater 11 and the water guide 12, especially of course in the area monitored by the temperature sensor 17 to a predetermined limit temperature of the electrical resistance of the temperature sensor at this limit temperature increases so much that the temperature sensor 17th throttles the heating element current I. In turn, the heating element 15 generates less heating power and the heater 11 can cool down again.
  • the temperature sensor 17 can thus serve not only to detect the present temperature as an evaluable measured value, as has been explained above, but to capture the temperature so to speak automatically and to limit it automatically.
  • the limit temperature may for example be between 150 0 C and 250 0 C.
  • the material may be any of the foregoing.
  • this start of the strong PTC behavior of the temperature sensor 17 can also be detected and evaluated by means of a controller 23.
  • the controller 23 then causes no temperature limitation.
  • the temperature sensor 17 consists of an aforementioned material which begins to oxidize at a specified temperature of a few 100 0 C, again as a kind of limit temperature, under normal atmosphere. Likewise, the entire conductor, including the part of the heating element or the part with the main heating function, consist of this material. If a named impermissible high temperature limit is maintained for several seconds, at least the temperature sensor 17 is thereby destroyed, similar to a fuse, the duration is up to the destruction of the temperature sensor is greater than a fuse and in particular from 5 to 30 seconds. Such a destruction of the temperature sensor does not need to be detected by means of a control connected in parallel therewith, because a power interruption necessarily takes place and the heating element current does not start to flow again by itself.
  • a so-called tubular heater 11 ' is shown as a heater.
  • Such tubular heaters are known for example from DE-OS 24 21 842 or DE 10356914 A1.
  • the tubular heater 11 ' has a jacket 13 ' of appropriate metal on as usual and contains a fine-grained insulating sand or ceramic powder, a schematically illustrated, elongated heating element 15 ' as a heating element.
  • the heating conductor 15 ' is still divided by a kind of contact field or contact tap, and so the temperature sensor 17 ' is formed as a separate or own area.
  • the intermediate tap 21 ' which is led out as a thin conductor from the jacket 13 ' for connection according to FIG. 1 to a controller 23, not shown.
  • heating element and temperature sensor are made of the same material or from the same conductor. The distinction is made only by the additionally attached contact tap for the intermediate tap 21 ' .
  • the temperature sensor also works as a heater.
  • another heating may be formed, for example a heating base for a kettle, which may even have a plurality of heating elements in any interconnections. Even thick-film constructions are possible.
  • a hotplate with one or more of these heating elements or even such a tubular heater may be provided, since the heater on the underside of a cooking plate constructive similarity with such tubular heaters. Then it is just to at least one of the heating elements to invented A temperature sensor according to the present invention is connected in series or has such a section. Further overtemperature safeguards can be dispensed with, in particular thermomechanical systems or those with a completely separate temperature sensor which has no further function, in particular has no heating effect.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

Eine Heizeinrichtung (11) mit einer Wasserführung (12, 13) und einem an dessen Außenseite befestigten Heizelement (15) weist einen Temperatursensor (17) auf. Der Temperatursensor (17) ist ein Teil oder Abschnitt des Heizelements (15) und wird so vom gleichen Heizelementstrom (I) durchflössen. Der Temperatursensor (17) dient zur Temperaturüberwachung der Heizeinrichtung (11). Durch Anschlüsse (20, 21) am Temperatursensor kann mittels einer Steuerung (23) die anliegende Spannung erfasst und somit der elektrische Widerstand und daraus die Temperatur bestimmt werden. Ein Fall einer kritischen Übertemperatur kann so erkannt und verhindert werden.

Description

Beschreibung
Heizeinrichtung. Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtunq und Elektrowärmegerät mit einer solchen Heizeinrichtung
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit Heizelement, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizeinrichtung und ein Elektrowärmegerät mit einer solchen Heizeinrichtung.
Zur Absicherung von derartigen Heizeinrichtungen, wie sie beispielsweise in Wasserkochern, Kochplatten odgl. eingesetzt werden, gegen Übertemperatur werden bislang separate Temperatursicherungen verwendet, die den Fall einer unzulässigen Übertemperatur am Heizelement durch galvanisches Unterbrechen und somit Auftrennen der Stromzufuhr verhindern bzw. dadurch darauf reagieren. Dies ist jedoch in vielen Fällen aufwändig, sowohl konstruktiv als auch bezüglich der Herstellungskosten.
Eine andere Art von Heizeinrichtungen, bei der ein separates Temperatursicherungselement eingespart werden kann, verwendet sogenannte PTC-Heizelemente. Dabei wird ausgenutzt, dass sich der Heizleiter guasi selbst regelt und auf eine Temperaturerhöhung mit einem starken Widerstandsanstieg reagiert. Folgende Beispiele, die den Stand der Technik beschreiben, seien dazu explizit genannt. Eine Kochplatte, in welcher BaTiO3 verwendet wird, um die Heizleistung zu kontrollieren, ist die EP 853 444 A1. Eine Kochplatte mit PTC-Heizelementen ist in der WO 2004/080127 A1 beschrieben. Dabei werden als Materialien genannt Wolfram (spezifischer Widerstand 0,056 Ohm mnτ7m), die Kobalt- Legierung Vacon CF 25 (spezifischer Widerstand 0,056 Ohm mm2/m), und Eisen mit einem spezifischen Widerstand typischerweise im Bereich von 0,1-0,15 Ohm mm2/m. Ein typisches Sensormaterial, welches als Heizleiter verwendet werden könnte, ist Platin mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm mm2/m.
Nachteilig bei diesen Lösungen sind die zum Teil sehr speziellen und daher in der Regel teuren Materialien, bei welchen es sich aus diversen Gründen eben nicht um gebräuchliche Heizleiterlegierungen handelt, wie sie problemlos in Heizelementen eingesetzt werden können. Insbesondere ist der geringe spezifische Widerstand dieser Legierungen von Nachteil. Versuche die Probleme dahingehend zu umgehen, dass oben genannte Materialien mit bekannten Heizleiterlegierungen kombiniert werden, sind aus der EP 621 738 A1 und der DE 10 2004 063207 A1 bekannt. Allerdings sind auch solche Kombinationen mit erheblichem konstruktiven Aufwand verbunden.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Heizeinrichtung sowie ein eingangs genanntes Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizeinrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere neuartige, einfache und technisch vorteilhafte Möglichkeiten zur Temperaturüberwachung eines Heizelements bzw. der Heizeinrichtung geschaffen werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 23 und ein Elektrowärmegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 25 oder 26. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Dabei werden manche Merkmale nur für die Heizeinrichtung, das Verfahren oder das Elektrowärmegerät erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Heizeinrichtung als auch für das Verfahren oder das Elektrowärmegerät gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Des weiteren wird der Wortlaut der Prioritätsanmeldung DE 1020070040891.0 vom 24. August 2007 derselben Anmelderin durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Die Heizeinrichtung weist einen Temperatursensor bzw. ein als Temperatursensor dienendes Element auf, mit dem sie bzw. das Heizelement beim Heizbetrieb überwacht werden kann auf eine unzulässig hohe Übertemperatur. Dabei fließt ein Heizelementstrom beim Betrieb des Heizelements durch dieses hindurch. Das Heizelement ist zumindest teilweise selber als Temperatursensor ausgebildet zur Temperaturmessung durch Auswerten des Verlaufs des Heizelementstroms über der Zeit mit Bestimmung der Temperatur durch eine Auswertung von Heizelementspannung und/oder Heizelementstrom bei bekanntem Wert für den elektrischen Widerstand. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auch der Temperatursensor stets vom Heizelementstrom durchflössen ist bzw. in dem für das Heizelement vorgesehenen Stromweg liegt. Des weiteren ist das Material des Heizelements ein Material mit einem spezifischen Widerstand von größer als 0,2 Ohm mm2/m bei 20°C ohne weitere Materialien mit einem Widerstandsanstieg größer als der Widerstandsanstieg reiner Metalle mit 3,9/1000 K und/oder ohne Parallel- oder Reihenschaltung kleinerer spezifischer Widerstände. Besonders vorteilhaft ist es ein metallisches Material. Dadurch ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten für die Temperaturüberwachung, sowohl hinsichtlich einer Temperaturerfassung an sich als auch eines Abschaltens des Heizelements bzw. der Heizeinrichtung, um so den Fall einer kritischen Übertemperatur nach dem Erkennen zu verhindern. Diese Möglichkeiten werden im Folgenden erläutert.
Gemäß einer grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung kann das Heizelement oder ein Teil davon selber als Temperatursensor ausgebildet sein bzw. als solcher verwendet und ausgewertet werden. Bei- spielsweise kann zur Temperaturmessung der Verlauf des Heizelementstroms über der Zeit ausgewertet werden. Dann ist das zumindest teilweise als Temperatursensor dienende Heizelement ohnehin vom Heizelementstrom durchflössen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der spezifische Widerstand größer als 0,9 Ohm mm2/m bei 200C.
Das PTC-Material ist so ausgebildet, dass bei Temperaturerhöhung, insbesondere wenn sich die Temperatur des PTC-Materials einer als kritisch angesehenen Grenztemperatur nähert, die schädlich wäre für die Heizeinrichtung bzw. das Elektrogerät, der elektrische Widerstand des PTC-Materials derart stark ansteigt, dass eine Begrenzung des Heizelementstroms zu einem Reduzieren der elektrischen Leistung des Heizelements führt, beispielsweise um mindestens 20%, so dass durch die verringerte Leistung die Temperatur wieder absinkt. Dazu muss ein Anstieg des elektrischen Widerstands des PTC-Materials noch nicht einmal allzu steil sein. Alternativ kann eben ein sehr steiler Anstieg ab einer Grenztemperatur erfolgen, durch den der Heizelementstrom und somit die Heizleistung sehr stark verringert werden.
Derartige PTC-Materialien sind dem Fachmann bekannt. Für die vorteilhaft verwendbaren PTC-Materialien wesentlich ist dabei lediglich ein positiver Anstieg des elektrischen Widerstands. BaTiO3 soll dabei explizit ausgeschlossen sein. Wie noch nachfolgend erläutert werden wird, können auch konventionelle Heizleiter, mit einem im Allgemeinen relativ geringen Temperaturkoeffizienten im Vergleich zu reinen Metallen, für die Erfindung eingesetzt werden. Dabei ist von Vorteil, dass solche Materialien einen spezifischen elektrischen Widerstand haben, der in der Regel größer ist als der von reinen Metallen (bei ca. 1 Ohm mm2/m), was dem Einsatz als Heizelement entgegen kommt. In Ausgestaltung der Erfindung kann das PTC-Material so ausgelegt sein, dass in einem Temperaturbereich zwischen 1500C und 2500C ein Anstieg des Widerstands mindestens 10% beträgt, vorteilhaft sogar mehr als 20%. Dieser Anstieg kann im Wesentlichen über einige 100C erfolgen, beispielsweise über 200C bis 300C. Dies wird als ausreichend angesehen für eine deutliche Verringerung der Heizleistung und somit eine resultierende Absenkung der Temperatur.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Material des Heizelements Bestandteile enthalten mit einem ferromagnetischen Phasenübergang. Ein Curie-Punkt kann vorteilhaft zwischen 2000C und 1000°C liegen. Dabei kann besonders vorteilhaft Fe, Ni, oder Co enthalten sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Spannung und/oder Strom am Heizelement ausgewertet werden, um dessen Temperatur zu bestimmen, wobei dann das Heizelement selber der Temperatursensor ist. Dies kann entweder für das gesamte Heizelement oder auch nur für einen Abschnitt gemacht werden. Dabei kann über das Heizelement die Temperatur unabhängig von einem Heizbetrieb erfasst werden, so dass beispielsweise in einer vorgesehenen Heizpause das Heizelement auch als reiner Temperatursensor verwendet werden kann für eine reine Temperaturmessung. Des Weiteren können hierzu bei einem Heizbetrieb auch extra Heizpausen eingelegt werden um eine bessere und störungsfreie Temperaturmessung zu ermöglichen.
Eine Auswertung des Temperatursensors bzw. des Heizelements als Temperatursensor erfolgt vorteilhaft elektronisch. Dabei werden die Werte für Strom bzw. Spannung erfasst und insbesondere über eine Signalübertragung oder Signalaufbereitung an eine Steuerung wie einen Mikrocontroller odgl. gegeben.
Als weitere Materialien für das Heizelement bieten sich Eisen-Nickel-Legierungen an, zum Beispiel erhältlich bei Fa. Kanthai als Nifethal 52 oder Nifethal 70. Alternative Materialien für das Heizelement können auch aus der Gruppe von FeCrAI-Legierungen und NiCr-Heizleiter- Legierungen ausgewählt sein. Nochmals weitere alternative Materialien für das Heizelement können einen Widerstandskoeffizienten aufweisen, der zwischen demjenigen von NiCr3020 und demjenigen von Wolfram liegt. Somit lassen sich gute Eigenschaften des Heizelements sowohl beim Heizbetrieb als auch für eine Temperaturmessung erreichen.
Ebenso kann das Heizelement als Zusatz mindestens ein Material aus der Gruppe Cr1 Ni oder Fe aufweisen. Auch Zusätze wie Wolfram, Molybdän, oder eine Legierung enthaltend Wolfram oder Molybdän sind möglich. Ein weiterer möglicher Zusatz ist Kohlenstoff in diversen Modifikationen, beispielsweise in Form von Kohlenstoff oder sogenannten Car- bon-Nanotubes.
Auf dem Heizelement kann eine Schicht von CT2O3 oder AI2O3 sein. Das Heizelement selbst kann isoliert sein, wobei die Isolierung eine hohe Wärmeleitfähigkeit größer als 1 W/mK besitzen kann. Eine Isolierung kann im wesentlichen aus SiO2 bestehen, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, alternativ aus MgO oder aus AI2O3.
Bei einer hinreichend großen Signalverstärkung lassen sich als weitere alternative Materialien auch konventionelle Heizleiterlegierungen mit einem Schmelzpunkt von größer als 10000C und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1 - 2 Ohm mnrvVm einsetzen. Derartige Heizleiterlegierungen sind beispielsweise in der EP 542 128 A1 beschrieben, auf die hiermit explizit verwiesen wird.
Als nochmals alternatives Material kann das Heizelement aus einem keramischen Material bestehen. Vorteilhaft kann es ein dotiertes keramisches Material sein, das mit Ce oder La dotiert ist. Alternativ kann ein Hochtemperatursupraleiter wie YBCO-1-2-3 verwendet werden. Eine weitere Ausbildung der Erfindung mit einem von dem Heizelement zumindest funktional separaten Temperatursensor kann vorsehen, diesen zwar ähnlich wie eine Schmelzsicherung so auszubilden, dass er bei Überschreiten einer Grenztemperatur selbstzerstörend ist. Allerdings soll im vorliegenden Fall einer zulässig hohen Grenztemperatur der Temperatursensor aufgrund der Materialwahl bereits bei wenigen 1000C zu oxidieren beginnen, wie beispielsweise Wolfram unter Normalatmosphäre. Vorteilhaft ist der Temperatursensor dabei so ausgebildet, dass er nach wenigen Sekunden, beispielsweise 5 Sekunden bis 15 Sekunden, bei dieser Temperatur durchoxidiert, sich also selbst zerstört und dabei den Stromfluss unterbricht. Es erfolgt also kein Schmelzen eines entsprechenden Unterbrecherelements, sondern es liegt ein anderer, temperaturbedingter Zerstörungsmechanismus vor, allerdings mit gleichem Ergebnis. Dies weist unter anderem den Vorteil auf, dass zwar einerseits eine Ansprechzeit bzw. Unterbrechungszeit länger ist, also beispielsweise 5 Sekunden bis 15 Sekunden. Da dies jedoch bei thermisch tendenziell eher trägen Heizeinrichtungen nicht so gravierend ins Gewicht fällt, überwiegt andererseits der Vorteil, dass eine Temperatursicherung durch nur kurzzeitige Temperaturspitzen nicht ausgelöst wird.
Wie also aus dem zuvor Erläuterten hervorgeht, kann entweder ein elektrischer Widerstand des Heizelements ausgewertet werden zur Temperaturmessung oder ein Widerstand des Temperatursensors selbst, der dann aber Teil des Heizwiderstands ist bzw. zur Beheizung dient.
Ein erfindungsgemäßes Elektrowärmegerät mit einer derartigen Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Durchlauferhitzer sein oder ein vorgenannter Wasserkocher. Die Heizeinrichtung kann also zum Erhitzen von Wasser in direktem Kontakt oder indirekt ausgebildet sein. Alternativ kann es eine Kochplatte sein oder im wesentlichen auch nur ein Heizelement wie beispielsweise ein Rohrheizkörper, der dann in einem der vorgenannten Geräte eingebaut sein kann. Bei einem Rohrheizkörper ist das Heizelement in einem Rohrmantel angeordnet und elektrisch isoliert. Der als Temperatursensor dienende Teil kann vorteilhaft nahe an einem Ende bzw. elektrischen Anschluss bzw. einem dafür dienenden Gehäuse vorgesehen sein oder in einem Anschlussgehäuse. Ein Rohr kann aus Metall oder Glas bzw. Quarzglas bestehen.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombination bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit aufgewickeltem Heizelement samt in Reihe geschaltetem Temperatursensor,
Fig. 2 ein stark vereinfachtes Schaltbild der elektrischen Beschaltung gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines sogenannten Rohrheizkörpers mit darin verlaufendem länglichen Heizelement, von dem ein Abschnitt als Temperatursensor dient.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. 1 ist eine Heizeinrichtung 11 dargestellt, die eine Wasserführung 12 aufweist, welche aus einem wasserdurchflossenen Rohr 13 besteht. Derartige Heizeinrichtungen sind bekannt und werden beispielsweise nach Art eines Durchlauferhitzers für Waschmaschinen oder Geschirrspülmaschinen verwendet.
Auf dem Rohr 13 bzw. der Wasserführung 12 ist ein Heizelement 15, vorteilhaft ein Heizdraht, aufgebracht, und zwar aufgewickelt. Anstelle eines sozusagen freiliegenden Heizelements 15 in aufgewickelter Form könnte auch ein aufgedrucktes Dickschichtheizelement vorgesehen sein, unter Umständen auch mehrere, alternativ ummantelte Rohrheizkörper. Diese werden nachfolgend anhand Fig. 3 erläutert.
An seinem in Fig. 1 rechten Ende ist das Heizelement 15 mit einem Temperatursensor 17 in Form eines Widerstands verbunden. An seinem linken Ende ist das Heizelement 15 mit einem ersten Anschluss 19 als ein elektrischer Hauptanschluss versehen, über den insbesondere der Heizelementstrom fließt. Der andere elektrische Hauptanschluss erfolgt über den zweiten Anschluss 20 am rechten Ende der Heizeinrichtung 11 , und zwar am Temperatursensor 17, so dass stets eine Serienschaltung von Heizelement 15 und Temperatursensor 17 vorliegt.
Am anderen Ende des Temperatursensors 17 bzw. an der Verbindung zum Heizelement 15 ist ein Zwischenabgriff 21 vorgesehen. Insbesondere ist hier der Temperatursensor dadurch gebildet, dass durch den Zwischenabgriff 21 das Heizelement 15 bzw. der dieses bildende Leiter in zwei Teile aufgeteilt wird funktional, nämlich einerseits in den funktionalen Teil des Heizelements, der nur heizt. Der zweite Teil heizt auch und bildet mittels des Zwischenabgriffs 21 und den Anschluss 20 aber zusätzlich auch einen beschriebenen Temperatursensor. Die Herstellung des Leiters kann in einem Stück sein, und durch ein aufgebrachtes Kontaktfeld erhält man den Zwischenabgriff 21. Alternativ können zwei Teile bzw. geeignete Leiter miteinander verbunden werden an dem Kontaktfeld für den Zwischenabgriff.
Das elektrische Ersatzschaltbild in Fig. 2 zeigt, wie zum einen die Serienschaltung von Heizelement 15 und Temperatursensor 17 vom Heizstrom I durchflössen wird. Des Weiteren ist eine Steuerung 23 vorgesehen, die über den Zwischenabgriff 21 und über eine Verbindung mit dem zweiten Anschluss 20 die Spannung über dem Teil als Temperatursensor 17 erfassen kann.
Zur Funktionsweise ist zu sagen, dass durch eine nicht dargestellte Ansteuerung des Heizelements 15 der Heizelementstrom I gesteuert bzw. angelegt wird. Im Betrieb heizt das Heizelement 15 das Wasser auf, das durch die Wasserführung 12 strömt, wie dies allgemein bekannt ist. Der Teil 17 trägt dazu bei, wenn auch mit einem geringen Anteil, da er viel kürzer ist. Um nun die eingangs genannte Temperatursicherung zu schaffen, können für den Temperatursensor 17 verschiedene Möglichkeiten vorgesehen sein. Entsprechend dem elektrischen Schaltbild kann die Steuerung 23 bei bekanntem Heizelementstrom I die Spannung und somit den elektrischen Widerstand des Temperatursensors 17 ermitteln. Dazu kann die Steuerung 23 unter Umständen auch zusätzlich mit dem ersten Anschluss 19 verbunden sein. Wird eine unzulässig hohe Temperatur festgestellt, so kann die Steuerung 23 den Heizelementstrom I drosseln oder abschalten.
Eine weitere Möglichkeit für eine Temperatursicherung besteht darin, dass der Temperatursensor 17 die eingangs genannten PTC-Eigen- schaften aufweist. Insbesondere sind diese derart, dass bei Annäherung der Temperatur der Heizeinrichtung 11 bzw. der Wasserführung 12, insbesondere natürlich in dem von dem Temperatursensor 17 überwachten Bereich, an eine festgelegte Grenztemperatur der elektrische Widerstand des Temperatursensors an dieser Grenztemperatur so stark ansteigt, dass der Temperatursensor 17 den Heizelementstrom I drosselt. Dadurch wiederum erzeugt das Heizelement 15 weniger Heizleistung und die Heizeinrichtung 11 kann sich wieder abkühlen. Somit kann der Temperatursensor 17 also nicht nur dazu dienen, die vorliegende Temperatur als auswertbaren Messwert zu erfassen, wie zuvor erläutert worden ist, sondern die Temperatur sozusagen selbsttätig zu erfassen und selbsttätig zu begrenzen. Die Grenztemperatur kann beispielsweise zwischen 1500C und 2500C liegen. Das Material kann eines der vorgenannten sein.
In nochmals weiterer Ausgestaltung, die ebenfalls zuvor beschrieben worden ist, kann mittels einer Steuerung 23 auch dieser Beginn des starken PTC-Verhaltens des Temperatursensors 17 erfasst und ausgewertet werden. Die Steuerung 23 bewirkt dann aber keine Temperaturbegrenzung.
Des Weiteren ist es möglich, dass der Temperatursensor 17 aus einem vorgenannten Material besteht, welches bei einer festgelegten Temperatur von wenigen 1000C, wiederum als eine Art Grenztemperatur, unter Normalatmosphäre zu oxidieren beginnt. Ebenso kann der gesamte Leiter, also auch der Teil des Heizelements bzw. der Teil mit der hauptsächlichen Heizfunktion, aus diesem Material bestehen. Wird eine genannte unzulässige hohe Grenztemperatur für mehrere Sekunden gehalten, so wird mindestens der Temperatursensor 17 dadurch zerstört, ähnlich wie bei einer Schmelzsicherung, wobei die Dauer bis zur Zerstörung des Temperatursensors größer ist als bei einer Schmelzsicherung und insbesondere bei 5 bis 30 Sekunden liegen kann. Eine solche Zerstörung des Temperatursensors braucht nicht über eine parallel dazu geschaltete Steuerung erfasst zu werden, da zwingend eine Stromunterbrechung erfolgt und der Heizelementstrom nicht wieder von alleine zu fließen beginnt. Dies kann auch in einer sonstigen Steuerung erfasst werden als Fall einer Übertemperatur sowie Zerstörung der Temperatursicherung. In Fig. 3 ist ein sogenannter Rohrheizkörper 11 ' als Heizeinrichtung dargestellt. Derartige Rohrheizkörper sind beispielsweise aus der DE-OS 24 21 842 oder der DE 10356914 A1 bekannt. Der Rohrheizkörper 11 ' weist einen Mantel 13' aus entsprechendem Metall auf wie üblich und enthält neben einem feinkörnigen isolierenden Sand oder Keramikpulver einen schematisch dargestellten, länglichen Heizleiter 15' als Heizelement.
Der Heizleiter 15' ist durch eine Art Kontaktfeld oder Kontaktabgriff noch abgeteilt, und zwar wird so der Temperatursensor 17' als abgetrennter bzw. eigener Bereich gebildet. Hier geht der Zwischenabgriff 21 ' ab, der als dünner Leiter aus dem Mantel 13' herausgeführt ist zum Anschluss entsprechend Fig. 1 an eine nicht dargestellte Steuerung 23.
Am rechten Ende 25' sind der Leiter des Heizelements bzw. der Temperatursensor 17' zu dem Anschluss 20' und der andere Leiter zu dem Zwischenabgriff 21 ' geführt, und beide von dort aus an die genannte Steuerung.
Hier sind also Heizelement und Temperatursensor aus demselben Material bzw. aus demselben Leiter gebildet. Die Unterscheidung erfolgt nur durch den zusätzlich angebrachten Kontaktabgriff für den Zwischenabgriff 21 '. Der Temperatursensor arbeitet auch hier als Heizung.
Auf ähnlich Art und Weise wie in Fig. 1 , also beispielsweise mit einer Be- schaltung gemäß Fig. 2, kann eine andere Beheizung ausgebildet sein, beispielsweise ein Heizboden für einen Wasserkocher, der sogar mehrere Heizelemente aufweisen kann in beliebigen Verschaltungen. Auch Dickschichtkonstruktionen sind möglich. Ebenso kann eine Kochplatte mit einem oder mehreren dieser Heizelemente bzw. auch derartiger Rohrheizkörper versehen sein, da die Heizer an der Unterseite einer Kochplatte konstruktive Ähnlichkeit mit solchen Rohrheizkörpern aufweisen. Dann ist eben zu mindestens einem der Heizelemente auf erfin- dungsgemäße Art und Weise ein Temperatursensor in Serie geschaltet bzw. weist einen derartigen Abschnitt auf. Weitere Übertemperatursiche- rungen können entfallen, insbesondere thermomechanische Systeme oder solche mit ganz separatem Temperatursensor, der keine weitere Funktion ausübt, insbesondere keine Heizwirkung hat.

Claims

Patentansprüche
1. Heizeinrichtung mit einem Heizelement (15), wobei ein Temperatursensor (17) vorgesehen ist zur Temperaturüberwachung der Heizeinrichtung bzw. des Heizelements beim Heizbetrieb, wobei ein Heizelementstrom (I) durch das Heizelement fließt und der Temperatursensor (17) und das Heizelement (15) derart ausgebildet sind, dass auch der Temperatursensor (17) stets vom Heizelementstrom (I) durchflössen ist, wobei das Heizelement zumindest teilweise selber als Temperatursensor ausgebildet ist zur Temperaturmessung durch Auswerten des Verlaufs des Heizelementstroms über der Zeit mit Bestimmung der Temperatur durch eine Auswertung von Heizelementspannung und/oder Heizelementstrom (I) bei bekanntem Wert für den elektrischen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements ein vorzugsweise metallisches Material mit einem spezifischen Widerstand von größer als 0,2 Ohm mm2/m bei 200C ist ohne weitere Materialien mit einem Widerstandsanstieg größer als der Widerstandsanstieg reiner Metalle mit 3,9/1000 K und/oder ohne Parallel- oder Reihenschaltung kleinerer spezifischer Widerstände.
2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand größer als 0,9 Ohm mm2/m bei 200C ist.
3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung ausgebildet ist zum Erhitzen von Wasser in direktem Kontakt mit der Heizeinrichtung bzw. dem Heizelement.
4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung ausgebildet ist zum Erhitzen von Wasser in einem Behälter, insbesondere in einem Kochgefäß, an dem die Heizeinrichtung befestigt ist, vorzugsweise an der Unterseite.
5. Heizeinrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wasserführung (12, 13), wobei an oder in der Wasserführung ein Heizelement (15) angeordnet ist.
6. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektronische Auswertung.
7. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (17) bzw. das Heizelement (15) ein Material mit PTC-Eigenschaften ist derart, dass eine Widerstandsänderung des PTC-M aterials mit Anstieg des elektrischen Widerstands bei Annäherung an eine kritisch hohe Grenztemperatur ausreichend groß ist zum Reduzieren der elektrischen Leistung des Heizelements (15) um mindestens 20% oder zum Abschalten, wobei vorzugsweise das Material des Temperatursensors (17) so ausgebildet ist, dass ein Anstieg des Widerstands im Temperaturbereich von 1500C bis 2500C mindestens 10% beträgt, vorzugsweise mehr als 20%.
8. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bestimmung der Temperatur unabhängig von einem Betriebszustand des Heizelements.
9. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) eine Legierung mit einem Schmelzpunkt größer als 1000 0C ist.
10. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) zusätzlich mindestens ein Material aus der folgenden Gruppe aufweist: Cr, Ni, Fe.
11. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) zusätzlich ein Material aus der folgenden Gruppe aufweist: Wolfram, Molybdän, oder eine Legierung enthaltend Wolfram oder Molybdän.
12. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: FeCrAI, NiCr-Heizleiter und Eisen-Nickel-Legierung.
13. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schicht von Cr2Ü3 oder AI2O3 auf dem Heizelement (15).
14. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (17) zumindest teilweise aus einem bei wenigen 1000C oxidierenden Material besteht, wobei der Temperatursensor und damit das Heizelement (15) bei Erreichen dieser Temperatur von wenigen 1000C in wenigen Sekunden durchoxidieren zum Unterbrechen des Stromflusses.
15. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) zusätzlich ein Material aus der folgenden Gruppe aufweist: reiner Kohlenstoff, Kohlenstoff in diversen Modifikationen oder Carbon-Nanotubes.
16. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskoeffizient des Materials des Heizelements (15) zwischen dem von NiCr3020 und dem von Wolfram liegt.
17. Heizeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich der lineare Widerstandskoeffizient im Bereich der Edelmetalle von 3 bis 4,5 / 1000 K befindet.
18. Heizeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) Bestandteile enthält mit einem ferromagnetischen Phasenübergang mit einem Curie-Punkt zwischen 2000C und 10000C1 insbesondere Fe, Ni, oder Co enthält.
19. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) isoliert ist und die Isolierung eine hohe Wärmeleitfähigkeit größer als 1 W/mK besitzt, wobei vorzugsweise die Isolierung im wesentlichen aus Siθ2, MgO oder AI2O3 besteht.
20. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Dickschichtoder Dünnschicht-Beheizung auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht ist.
21. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als rohrförmiger Heizkörper, insbesondere Rohrheizkörper oder Stabform, ausgeführt ist, vorzugsweise mit dem Heizelement in einem Rohr.
22. Heizeinrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus Metall oder aus Quarzglas besteht.
23. Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand des Heizelements (15) bzw. des Temperatursensors (27) ausgewertet wird zur Temperaturmessung, wobei er vorzugsweise elektronisch ausgewertet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung der Temperatur des Heizelements (15) bzw. der Heizeinrichtung in Phasen stattfindet, in denen das Heizelement nicht aktiv bzw. betrieben ist.
25. Elektrowärmegerät zur Warmwasserzubereitung mit einer Wasserführung (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Heizeinrichtung (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 22 aufweist, wobei es insbesondere ein Durchlauferhitzer ist.
26. Elektrowärmegerät (11 ), das eine Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Kontakt mit einem Gefäß ausgebildet ist, vorzugsweise zum Tragen des Gefäßes, wobei es insbesondere eine Kochplatte ist.
27. Elektrowärmegerät nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass es neben elektronischen Schutzmitteln durch die elektrische Temperaturmessung oder durch die Unterbrechung keine elektromechanischen Schutzmittel enthält.
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