DE1565735A1

DE1565735A1 - Elektrische Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE1565735A1
Application number: DE19661565735
Authority: DE
Inventors: Shigeru Hayakawa; Takashi Iguchi; Yukio Kasahara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-12-29
Filing date: 1966-12-21
Publication date: 1970-02-05
Also published as: FR1513453A; GB1161830A; NL6617728A

Description

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Matsushita Electric Industrial Go₀, Ltd., Kadoma, Osaka (Japan)

Elektrische Heizeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Heizeinrichtuhgen und dergleichen, wie z,»B« eine Einrichtung zum Wärmen, und im besonderen auf eine verbesserte, sich selbst kontrollierende Einrichtung mit einem temperaturempfindlichen Heizelement*

Es war bisher bei den älteren Heizelementen schwierig, diese in bezug auf die Umgebungstemperatur zu kontrollieren, für welchen Zweck eine zusätzliche Ausstattung, z.B. ein Schaltelement mit Kontakten vorgesehen werden musste. Die Kontakte einer solchen Schalteinrichtungϊ die den elektrischen Strom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur- ein- und ausschalten, werden jedoch nach längerer Betriebszeit oxydiert, verunreinigt, und sogar mit einander verschweißt, 80 dass sie ihre Wirksamkeit verlieren»

Vor einiger Zeit wurde ein Thermistor mit einem positiven · Temperaturkoeffizienten-.des elektrischen Widerstandes entwickelt,

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Dieser Thermistor ist ein im' wesentlichen aus Bariumtitanat bestehender Körper. Ein aus diesem keramischen Werkstoff hergestelltes Heizelement weist das Merkmal auf, dass ein durch das Heizelement fließender elektrischer Strom bei ansteigender Umgebungstemperatur schwächer wird und umgekehrt. Das Heizelement spricht daher auf eine Überhitzung an. Die von der Heizeinrichtung kontrollierte Umgebungstemperatur verändert sich jedoch mit der Wärmekapazität des zu erhitzenden Gegenstandes oder Materials, wenn die Heizeinrichtung nur aus Heizelementen des genannten keramischen Werkstoffes besteht«, Weiterhin verändert sich auch der Bereich der kontrollierbaren Temperatur mit der Wärmekapazität des erhitzten Gegenstandes oder Materials,

Die Erfindung sieht daher eine Heizeinrichtung vor, die die genannten Mängel nicht aufweist und die Umgebungstemperatur des zu erhitzenden Gegenstandes oder Materials innerhalb eines gegebenen Bereichs geeigneter Temperaturen ohne Verwendung eines zusätzlichen Schalters kontrolliert.
Die Erfindung sieht ftrner vor

eine auf die Temperatur ansprechende Steuer- oder Kontrolleinrichtung, bei der das Öffnen und Schließen eines Schalters nicht mehr erforderlich ist,

eine neue Schalteinrichtung, die anspricht, wenn die Temperatur sich auf eine außerhalb eines Temperaturbereichs liegende Temperatur ändert.

Die Erfindung wird nunmehr ausfährlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die

fig.l ein Schaltplan für eine temperaturempfindliche Steueroder Kontrolleinrichtung nach der Erfindung,

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Pig.2 eine graphische Darstellung von Kurven des Stromflusses . in bezug auf die angelegten Spannungen bei einem Heizi element, das bei verschiedenen Umgebungstemperaturen arbeitet, sowie der Kurve des Leistungsyerbrauchs einer aus einer Reaktanz und einem Widerstand bestehenden äußeren l Belastung,

Fig·3 eine graphische Darstellung des sich mit der Umgebungstemperatur verändernden Stromflusses für das Heizelement, Fig.4 ein Schaltplan für eine temperaturempfindliche Steueroder Kontrolleinrichtung mit der temperaturempfindlichen Steuerung nach der Fig.l,

Fig·5 .-el» senkrechter Schnitt durch eine Milchwärmeinrichtung mit der temperatureBpf iödlichen KontroJ-leinrichtung nach der Erfindung,
Flg«6 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit des

elektrischen Widerstandes des Thermistors und die Fig.7 eine graphische Darstellung der Beziehung des Stromes zur Temperatur für die Einrichtung nach der Fig.5· Die Fig.l zeigt ein aus einem Thermistor mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes bestehendes Heizelement 1 und einen äußeren aus einer Reaktanz 2 und einem Widerstand 3 bestehenden Stromverbraucher, welche genannten drei Elemente einander nachgeschaltet sind und an eine Stromquelle angeschlossen werden. Die kontrollierte Temperatur und deren Bereich wird von der Spannungs-Strom-Kennlinie des Thermistors und von der Leistungskurve des äuerenStromverbrauchers bestimmt, der ans der Reaktanz und aus dem Widerstand besteht.

Die Mg.2 zeigt die Kennlinien 4, 5, 6 und 7 des Thermi- .;a OVB In bezug auf verschiedene Umgebungstemperaturen, während

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die Kurve 8 den Leistungsverbrauch der äußeren Impedanz darstellt. Der durch den Thermistor bei einer bestimmten Temperatur fließende Strom wird bei einer Erhöhung der angelegten Spannung stärker, und zugleich steigt die Temperatur des Thermistors an. Da der Thermistor einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Wider-standes aufweist, so vermindert sich die Stärke des durch den Thermistor fließenden Stromes bei einer Erhöhung der angelegten Spannung, wenn die Temperatur des Thermistors selbst einen bestimmten Wert übersteigt, der von der Umgebungstemperatur und von der Temperatur-Widerstands-Kennlinie des Thermistors abhängt. Die Spannung-Strom-Kurven für die Temperaturen steigen an und fallen dann wieder ab, wie in der Fig.2 dargestellt. Bei einer höheren Umgebungstemperatur wird die bestimmte Temperatur bei einem schwächeren Stromfluss durch den Thermistor erreicht. Die charakteristischen Kurven für die Temperatur des Thermistors verschieben sich daher nach unten bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur, wie in der Fig.2 dargestellt, in der die Kurve 4 die untere Grenze und die Kurve 7 die obere Grenze der Temperatur darstellt. Eine obere Grenze für einen kontrollierbaren Temperaturbereich kann eine Temperatur bilden, bei der die charakteristische Kurve des Thermistors mit dem Scheitel die Leistungskurve der äußeren Impedanz berührt, wie in der Fig.2 dargestellt. Eine untere Grenze für einen kontrollierbaren Temperaturbereich kann eine Temperatur bilden, bei der die Leistungskurve von der abfallenden Flanke der charakteristischen Kurve des Thermistors berührt wird. Die Leistungskurve schneidet die charakteristische Kurve für die Temperatur zwischen der oberen und der unteren Grenze an drei Punkten. Natürlich weist auch die äußere Impedanz eine geringe Temperaturempfindlichkeit auf, während deren Leistungskurve von der Temperatur nahezu unab-

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hängig ist· Die von den Schnittpunkten der charakteristischen Kurven mit der Leistungskurve der äußeren Impedanz dargestellten Arbeitspunkte verändern sich in der Reihenfolge 9, 10, 11, 12 mit ansteigender Temperatur, und zugleich wird der Stromfluss schwächer, wie in der Pig»2 dargestellt* Da die Charakterisehe Kurve 7 für die obere Temperaturgrenze mit dem Scheitel 12 die Leistungskurve berührt, so bewegt sich der Arbeitspunkt vom Punkt 12 aus sofort zum Punkt 13» sobald die Temperatur den oberen Grenzwert übersteigt» Infolgedessen fällt die Stromstärke plötzlich ab. Sinkt andererseits die Temperatur vom oberen Grenzwert dies Temperaturbereiches ab, so bewegen sich die Arbeitspunkte in der Reihenfolge 13, 1^, 15, l6 auf der Leistungskurve 8, wobei die Stromstärke zugleich ansteigt. Da die charakteristische Kurve k am Punkt 16 die Leistungskurve berührt, wie in der Pig»2 dargestellt, so bewegt sich der Arbeitspunkt vom Punkt 16 aus zu einem anderen Arbeitspunkt 9j wobei die Temperatur weiter absinkt« Hierbei wird der Stromfluss plötzlich stärkere

Dieser Thermistor kann daher zusammen mit der Impedanz zum Aufbau einer sich selbst regelnden Heizeinrichtung benutzt werden, in der sowohl der Thermistor als auch die äußere Impedanz als Heizelemente benutzt werden.

In der Pig.3 sind die Temperatur-Strom-Kennlinien für die genannte Kombination dargestellt» Zur Erläuterung der Arbeitsweise sind die den Arbeifegpunkten in der F.ig·2 entsprechenden Arbeitspunkte auf der .Kurve -in der Fig,3 aiit den gleichen Bezugszaichen versehen« Steigt die Temperatur vom unteren Grenzwert 19 des Temperaturbereiches aus a»j so sinkt die Stromstärke allmählich in der Reihenfolge 9, 10, 11 und 12 ab« Steigt die Temperatur des Thermistors über den oberen Grenzwert 18 des Temperaturbereiches

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hinaus an, so fällt die Stromstärke vom Punkt 12 zum Punkt 13 plötzlich ab. Infolgedessen sinkt auch die Temperatur wieder ab mit der .Folge, dass die Stromstärke in der Reihenfolge 13, 14, 15 und 16 allmählich ansteigt, wobei die charakteristischen Spannung-Strom-Kurven für die Temperatur des Thermistors nach oben verschoben werden. Sinkt die Temperatur des Thermistors über den unteren Grenzwert 19 äes Temperaturbereiches hinaus ab, so verstärkt sich der Stromfluss plötzlich. Mit der Heizeinrichtung nach der Erfindung kann daher die Umgebungstemperatur geregelt werden.

Durch eine entsprechende Wahl der Kennlinien des Thermistors und der Leistungskurve der äußeren Impedanz kann daher der Temperaturbereich 17 zwischen dem oberen Grenzwert 18 und dem unteren Grenzwert 19 vorherbestimmt werden, da die genannten Grenzwerte des Temperaturbereiches bestimmt werden können durch eine Kombination der charakteristischen Spannungs-Strora-Kurve für die Temperatur des Thermistors und dar Leistungskurve der äußeren Impedanz, wie oben beschrieben·

Die Pig.^ zeigt eine Schaltung für eine auf die Temperatur ansprachende Steuer- oder Regeleinrichtung mit einem Thermistor 22, der einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen aus Bariuratitanat besteht, mit einer äußeren Impedanz 23 und mit einer vom elektrischen Strom betätigten Einrichtung, z»B. einer Magnetspule oder eines elektromagnetischen Schalters· Die Steuer- oder fiegelwirkung der Einrichtung erfolgt durch eine plötzliche Änderung des Stromflusses) als Folge einer Überschreitung der Grenzen des Temperaturbereiches. Der Temperaturbereich kann bestimmt werden durch eine Kombination der charakteristischen Spannung-Strom-Kurven für die Temperatur des Thermistors 22 und der Leistungskurve für die äußere Impedanz 2j

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und die strombetätigte Einrichtung Zk in derselben Weise, wie oben in Verbindung mit den figuren 2 und 3 beschrieben.

Weiterhin kann mfit Hilfe der beschriebenen, auf die Temperatur ansprechenden Steuer·* oder Regeleinrichtung ein temperaturempfindlicher elektrischer Schalter entwickelt werden.

Der temperaturempfindliche elektrische Schalter besteht aus einem Thermistor mit einem positiven Temperaturkoeffzientea _t des elektrischen Widerstandes» welcher Thermistor im wesentlichen aus Bariuratitanat besteht, und aus einer äußeren, dem Thermistor nachgeschalteten Impedanz, Diese beiden genannten Elemente werden an eine Stromquelle angeschlossen. Wie aus der Fig«3 zu ersehen 1st, stellt der Stromflussptmkt 12 einen kritischen Funkt an der oberen Grenze 18 des Temperaturbereiches dar und desgleichen der Stromflusspunkt 16 an der unteren Grenze 19 des Temperaturbereiches. Übersteigt die Temperatur etwas den oberen Grenzwert 18 des Temperaturbereiches/ so sinkt die Stromstärke sofort bis zu einem Punkt 20 ab entsprechend der Steuer- oder Segelwirkung der Einrichtung nach der Erfindung, wonach die Temperatur bis auf den unteren Grenzwert 19 cLes Temperaturbereiches absinkt. Bei einem Absinken der Temperatur etwas unter den unteren Grenzwert 19 des Temperaturbereiches, verstärkt sich der Stromfluss plötzlich bis zu einem Punkt 21, wonach die Temperatur wieder ansteigt. Durch Wiederholung von Ärbeitsperioden dieser Art kann mit Hilfe einer strombetätigten Einrichtung der Stromfluss zu einem Gerät reguliert werden. Die Steuer- oder Hegeleinrichtung nach der Erfindung wirkt daher als ein stabiler und empfindlicher thermischer Schalter. Dieser thermische Schalter ist sogar betriebsfähig selbst bei jitgyrken Schwankungen der angelegten Spannung, da durch diese die ϊtemperatur des Thermistors'verändert wird,

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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung beschrieben, die jedoch nicht hierauf beschränkt ist.

Die Pig.5 zeigt als Schnitt eine Milchvrärmeinrichtung, in der mit Hilfe der teraperaturempfindlichen Steuer- oder Regeleinrichtung nach der Erfindung eine im wesentlichen gleichbleibende Temperatur aufrechterhalten wird. Die Temperatur der Milch für ein Kleinkind soll vorzugsweise 50⁰G betragen. Die Fig..5 zeigt eine Babyflasche 25, zu deren Erwärmung Wasser 26 benutzt wird, das sich in einem Behälter 31 mit einem Deckel 32 befindet, wobei im unteren Teil des Behälters das Heizelement 28 angeordnet ist, das durch ein elektrisch isoziierendes Material wie Polytetrafluoräthylen abgedeckt wird. Das Heizelement wird in der folgenden Weise hergestellt.

Ein equimolares Gemisch aus Bariumkarbonat und Titanoxyd wird nass vermählen unter Zusatz von 2% (Gewicht) Silberoxyd und 3 Gew.# überschüssiges Titanoxyd. Das fertige Gemisch wird zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Dicke von 0,5 cm gepresst und in einer Stickstoffgasströmung zwei Stunden lang bei einer Temperatur von 1^5O⁰C gebrannt. Das Erzeugnis besteht aus einem halbleitenden gesinterten schwarz aussehenden Körper, der an der Luft eine Stunde lang auf HOO⁰C erhitzt wird, um den positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zu erhöhen. Zum Herstellen der Elektroden 2? wird die gesinterte keramische Scheibe mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Dicke von 0,3 cm durch Aufspritzen mit einem Metallbelag versehen. Die Fig.6 zeigt die Temperatur-Widerstands-Kurve für den auf diese Weise hergestellten Thermistor. Wie in der Fig.5 dargestellt, sind die einander nachgeschalteten und die äußere Impedanz bildenden Widerstand 29 und Reaktanz 30 mittels eines elektrischen Leiters

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an- den Thermistor 28 angeschlossen. Die äußere Impedanz besteht aus einer Spule 30 mit einer Reaktanz von 15 Mikrohenry und aus einem Widerstand mit einem Wert von 35 Ohm. In der Pig,6 ist die Temperatur-Strom-Kurve für die Wärmeinriohtung nach der Fig.5 dargestellt, aus der zu ersehen ist, dass die Mitteltemperatur und der Bereich der kontrollierten Temperatur bei 50⁰G ί 5⁰G liegt in Übereinstimmung mit der Erfindung_β Diese Werte sind natürlich unabhängig von der zu erwärmenden Milch«

An der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt»

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1) Temperaturempfindliche Widerstandseim* iGhtung, die auf Änderungen des Stromflusses an den Enden eines Temperaturbereichs anspricht, gekennzeichnet durch einen Thermistor, der einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen aus Bariumtitanat besteht, und durch eine äußere, dem Thermistor nachgeschaltete Impedanz, welche genannten beiden Elemente an eine Stromquelle angeschlossen werden und zusammen eine Temperatur-Widerstands-Kennli&ie aufweisen, die ein plötzliches Absinken des'Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors den oberen Grenzwert des Temperaturbereiches überschreitet, und die ein plötzliches Ansteigen des Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors unter den unteren Grenzwert des Temperaturbereiches absinkt,

2) Temperaturempfindliche Widerstandseinrichtung, die auf Änderungen des Stromflusses an den Enden eines Temperaturbereichs anspricht, gekennzeichnet durch einen Thermistor, der einen positiven Temperaturkoöffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen aus Bariumtitanat besteht, wobei die charakteristischen Spannung-Strom-Kurven für die Temperaturen des Thermistors an den Enden des Temperaturbereichs sich nach oben und dann nach unten krümmen, durch eine dem Thermistor nachgeschaltete Impedanz, und dadurch gekennzeichnet, dass die 3pannung-Strom-Leistungslinie der Impedanz die charakteristische Kurve für die untere Temperatur des Bereichs am Ursprungende der Kurve

schneidet und das andere Ende der letztgenannten charakteristischen Kurve berührt, dass die genannte Leistungslinie den Scheitel der charakteristischen Kurve für die höhere Temperatur des Bereiches am Ursprungsende der Kurve berührt und das andere finde der letztgenannten Kurve schneidet, dass der Thermistor und die diesem nachgeschaltete Impedanz an eine Stromquelle angeschlossen werden, wobei der Strorafluss plötzlich abfällt, wenn die Temperatur des Thermistors den oberen Grenzwert des Temperaturbereiches überschreitet, und wobei der Stromfluss plötzlich ansteigt, wenn die Temperatur des Thermistors unter den unterem Grenzwert des Temperaturbereiches absinkt.

3) Selbstregelnde Heizeinrichtung, die die Eigentemperatur zwischen den Enden eines Temperaturbereichs regelt, gekennzeichnet durch ein aus einem Thermistor bestehendes Heizelement, das einen positiven Teraperattarkoeff izienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen aus Bariumtltanat besteht, und durch eine äußere, dem Thermistor nachgeschaltete Impedanz, und dadurch gekennzeichnet, dass die genannten beiden Elemente ah eine Stromquelle angeschlossen werden und zusammen eine Temperatur-Widerstands-Kennlinie aufweisen, die ein plötzliches Absinken des Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Heizelementes den oberen Grenzwert des Temperaturbereiches überschreitet, und die ein plötzliches Ansteigen des Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Heizelementes unter den unteren Grenzwert des Temperaturbereiches absinkt.

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4) Teraperaturempfindliche Regeleinrichtung, die anspricht, wenn Temperaturen die oberen und unteren Grenzwerte eines Temperaturbereiches überschreiten bezw. unterschreiten, gekennzeichnet durch einen Thermistor, der einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen auS Bariumtitanat besteht, durch eine dem Thermistor nachgeschaltete äußere Impedanz, und dadurch gekennzeichnet, dass die genannten beiden Elemente an eine Stromquelle angeschlossen werden und zusammen eine Temperatur-Widerstands-Kennlinie aufweisen, die ein plötzliches Absinken des Stromflueses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors den oberen Grenzwert des Temperaturbereiches überschreitet, und die ein plötzliches Ansteigen des Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors unter den unteren Grenzwert des Temperaturbereiches absinkt, und dass eine Begeleinrichtung vorgesehen ist, die auf plötzliche Änderungen des Stromflusses im Thermistor und in der Impedanz anspricht·

5) Temperatur-Strom-Schalter, der anspricht, wenn Temperaturen die oberen und unteren Grenzwerte eines Temperaturbereiches überschreiten bezw, unterschreiten, gekennzeichnet durch einen Thermistor, der einen positiven TemperatürkoeffIzienten des elektrischen Widerstandes aufweist und im wesentlichen aus Bariumtitanat besteht, durch eine, dem Thermistor nachgeechaltete äußere Impedanz , und dadurch gekennzeichnet, dass die genannten beiden Elemente an eine Stromquelle angeschlossen werden und zusammen eine Temperatur-Widerstands—Kennlinie aufweisen, die ein plötzliches Absinken des Stromflusses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors den oberen Grenzwert des Temperaturbereiches überschreitet,

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und die ein plötzliches Ansteigen des Stromflueses bewirkt, wenn die Temperatur des Thermistors unter den unteren Grenzwert des Temperaturbereichs absinkt, und dass eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die auf plötzliche Änderungen im Thermistor und in der diesem naohgeschalteten Impedanz anspricht·

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