DE102007040891A1 - Heizeinrichtung, Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung und Elektrowärmegerät mit einer solchen Heizeinrichtung - Google Patents

Heizeinrichtung, Verfahren zum Betrieb einer Heizeinrichtung und Elektrowärmegerät mit einer solchen Heizeinrichtung Download PDF

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Abstract

Ein Heizeinrichtung (11) mit einer Wasserführung (12, 13) und einem an dessen Außenseite befestigen 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) durchflossen. 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

  • 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 quasi 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 mm2/m), 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 28 und ein Elektrowärmegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 30 oder 31. 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.
  • 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 durchflossen 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. Beispielsweise kann zur Temperaturmessung der Verlauf des Heizelementstroms über der Zeit ausgewertet werden. Dann ist das zumindest teilweise als Temperatursensor dienende Heizelement ohnehin vom Heizelementstrom durchflossen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist der spezifische Widerstand größer als 0,9 Ohm mm2/m bei 20°C.
  • 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 ge ringen 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 150°C und 250°C ein Anstieg des Widerstands mindestens 10% beträgt, vorteilhaft sogar mehr als 20%. Dieser Anstieg kann im wesentlichen über einige 10°C erfolgen, beispielsweise über 20°C bis 30°C. 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 200°C 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. Kanthal als Nifethal 52 oder Nifethal 70. Alternative Materialien für das Heizelement können auch aus der Gruppe von FeCrAl-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 Cr, 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 Carbon-Nanotubes.
  • Auf dem Heizelement kann eine Schicht von Cr2O3 oder Al2O3 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 Al2O3.
  • Bei einer hinreichend großen Signalverstärkung lassen sich als weitere alternative Materialien auch konventionelle Heizleiterlegierungen mit einem Schmelzpunkt von größer als 1000°C und einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1–2 Ohm mm2/m 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 100°C 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 vorge nannter 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 Zwischen-Überschriften 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:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Durchlauferhitzers mit aufgewickeltem Heizelement samt in Reihe geschaltetem Temperatursensor,
  • 2 ein stark vereinfachtes Schaltbild der elektrischen Beschaltung gemäß 1 und
  • 3 eine schematische Darstellung eines sogenannten Rohrheizkörpers mit darin verlaufendem länglichen Heizelement, von dem ein Abschnitt als Temperatursensor dient.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 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 3 erläutert.
  • An seinem in 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 funktio nalen 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 2 zeigt, wie zum einen die Serienschaltung von Heizelement 15 und Temperatursensor 17 vom Heizstrom I durchflossen 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-Eigenschaften 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 150°C und 250°C 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 100°C, 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 Stromun terbrechung 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 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 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 1, also beispielsweise mit einer Beschaltung gemäß 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 erfindungsgemäße Art und Weise ein Temperatursensor in Serie geschaltet bzw. weist einen derartigen Abschnitt auf. Weitere Übertemperatursicherungen können entfallen, insbesondere thermomechanische Systeme oder solche mit ganz separatem Temperatursensor, der keine weitere Funktion ausübt, insbesondere keine Heizwirkung hat.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 853444 A1 [0003]
    • - WO 2004/080127 A1 [0003]
    • - EP 621738 A1 [0004]
    • - DE 102004063207 A1 [0004]
    • - EP 542128 A1 [0019]
    • - DE 2421842 [0038]
    • - DE 10356914 A1 [0038]

Claims (32)

  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) durchflossen 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 20°C 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 20°C 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-Materials 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.
  8. Heizeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Temperatursensors (17) so ausgebildet ist, dass ein Anstieg des Widerstands im Temperaturbereich von 150°C bis 250°C mindestens 10% beträgt, vorzugsweise mehr als 20%.
  9. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bestimmung der Temperatur unabhängig von einem Betriebszustand des Heizelements.
  10. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) eine Legierung mit einem Schmelzpunkt größer als 1000°C ist.
  11. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (15) zusätzlich mindestens ein Material aus der folgenden Gruppe aufweist: Cr, Ni, Fe.
  12. 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.
  13. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: FeCrAl, NiCr-Heizleiter und Eisen-Nickel-Legierung.
  14. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schicht von Cr2O3 oder Al2O3 auf dem Heizelement (15).
  15. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (17) zumindest teilweise aus einem bei wenigen 100°C oxidierenden Material besteht, wobei der Temperatursensor und damit das Heizelement (15) bei Erreichen dieser Temperatur von wenigen 100°C in wenigen Sekunden durchoxidieren zum Unterbrechen des Stromflusses.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Heizeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich der lineare Widerstandskoeffizient im Bereich der Edelmetalle von 3 bis 4,5/1000 K befindet.
  19. Heizeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizelements (15) Bestandteile enthält mit einem ferromagnetischen Phasenübergang mit einem Curie-Punkt zwischen 200°C und 1000°C, insbesondere Fe, Ni, oder Co enthält.
  20. 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.
  21. Heizeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung im wesentlichen aus SiO2 besteht, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik.
  22. Heizeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung im wesentlichen aus MgO besteht.
  23. Heizeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung im wesentlichen aus Al2O3 besteht.
  24. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Dickschicht- oder Dünnschicht-Beheizung auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht ist.
  25. 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.
  26. Heizeinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus Metall besteht.
  27. Heizeinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr aus Quarzglas besteht.
  28. 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.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, 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.
  30. Elektrowärmegerät zur Warmwasserzubereitung mit einer Wasserführung (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Heiz einrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 27 aufweist, wobei es insbesondere ein Durchlauferhitzer ist.
  31. Elektrowärmegerät (11), das eine Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Kontakt mit einem Gefäß ausgebildet ist, vorzugsweise zum Tragen des Gefäßes, wobei es insbesondere eine Kochplatte ist.
  32. Elektrowärmegerät nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass es neben elektronischen Schutzmitteln durch die elektrische Temperaturmessung oder durch die Unterbrechung keine elektromechanischen Schutzmittel enthält.
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