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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Durchlauferhitzer ist in der
DE 39 06 603 C2 beschrieben.
Die elektrischen Schaltelemente sind dabei insb. durch Triacs realisiert,
die die Heizkörper
schalten und vom zufließenden
Kaltwasser gekühlt
werden. Das dem Durchlauferhitzer zufließende Kaltwasser zur Kühlung der Schaltelemente
zu verwenden, ist problematisch, da das Kaltwasser je nach der Installation
des Durchlauferhitzers so hohe Temperaturen aufweisen kann, daß eine hinreichende
Kühlung
der Triacs – zumindestens
vorübergehend – bei einer
gegebenen erforderlichen Heizleistung nicht mehr gewährleistet
werden kann. Eine unzureichende Kühlung der elektronischen Schaltelemente
kann dazu führen,
daß ihr Schaltverhalten
gestört
und/oder daß sie
zerstört werden.
Um die kaltwassergekühlten
Schaltelemente auch dann vor einer Zerstörung vor Überhitzung zu schützen, wenn
die Kaltwassertemperatur vergleichsweise hoch ist, erfaßt ein Temperaturfühler die Innentemperatur
der Kaltwasserleitung oder des Kaltwassers, und die Steuerschaltung
schaltet die Schaltelemente unabhängig vom Warmwasserbedarf dann
ab, wenn die Ist-Temperatur der Kaltwasserleitung oder des Kaltwassers
eine vorbestimmte Zeit nach dem Einschalten des Durchlauferhitzers über einem
für die
Kühlung
der Schaltelemente unzureichenden Grenzwert verbleibt oder während des Zapfbetriebes über den
Grenzwert ansteigt. Ein geeigneter Grenzwert liegt dabei bei 20° bis 25°C. Nachteilig
dabei ist für
den Benutzer das zwangsweise Abschalten des Durchlauferhitzers zum
Schutze der Triacs und insb. der niedrige Grenzwert für die Kaltwasserleitung
bzw. das Kaltwasser von 25°C.
Ein Betrieb derartiger Durchlauferhitzer an einem Wassernetz, das
an eine Solaranlage angeschlossen ist, ist daher kaum möglich.
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Aus
DE 34 15 542 C2 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer
mit einer Steuerung mit mehreren schaltbaren Heizleistungsstufen
bekannt, wobei eine Heizleistungsstufe regelbar ist. In einer Steuerphase bei
Heizbeginn wird die Heizleistung bis fast an eine Sollheizleistung
herangeschaltet, die zum Erreichen einer Soll-Auslauftemperatur erforderlich ist.
In einer nachfolgenden Regelphase wird die Auslauftemperatur der
Soll-Auslauftemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt.
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Aus
DE 42 11 590 C1 ist ein elektrischer Durchlauferhitzer
bekannt, bei dem ein Lüfter
in Abhängigkeit
von der Überschreitung
eines bestimmten Kaltwassertemperatur-Grenzwertes eingeschaltet wird
und für
eine Zwangskühlung
der der Heizstromsteuerung dienenden temperaturempfindlichen Bauelemente
sorgt.
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Aus
DE 39 06 929 C2 ist elektrischer Durchlauferhitzer
bekannt, der vier Heizwiderstände
aufweist, welche innerhalb eines Wasserweges in einer zwischen zwei
Außenleitern
angeschlossenen Kette angeordnet sind. Durch diese Anordnung der
Heizwiderstände
ergibt sich eine raumsparende Anordnung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen elektrischen Durchlauferhitzer bereitzustel len, der
die wassergekühlten
Schaltelemente im wesentlichen unabhängig von der Zulauftemperatur
ohne Abschalten des Durchlauferhitzers vor Überhitzung schützt.
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Die Aufgabe ist durch einen elektrischen Durchlauferhitzer
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dazu weisen erfindungsgemäß einzelne Heizkörper unterschiedlich
große
Nennheizleistungen auf und sind abgestuft bzgl. der Heizleistung speisbar.
Wenn die Heizkörper
jeweils abgestuft bezüglich
der Heizleistung speisbar sind, kann die Anzahl der Heizkörper und
damit die Länge
des Wasserwegs des Durchlauferhitzers vorteilhafterweise gering
gehalten werden. Weiterhin ist dadurch der Aufwand bezüglich der
Schaltelemente und der elektrischen Leitungen reduziert. Die Abstufung
erfordert jedoch im Vergleich zu Heizkörpern unterschiedlicher Nennleistungen
einen größeren Steuerungsaufwand. Durch
das erfindungsgemäße Verteilen
der erforderlichen Heizleistung können die Heizkörper bis
zumindest mittelgroßen
Heizleistungen des Durchlauferhitzers jeweils unterhalb der maximalen
Nennleistung eines Heizkörpers
bzw. bei niedrigeren Nennheizleistungen eines Heizkörpers betrieben
werden. Dies führt
dazu, daß große Heizleistungen
auf die Heizkörper
nur geschaltet werden, wenn ein großer Leistungsbedarf vorliegt,
was in der Regel aber nur der Fall ist, wenn das zulaufende Wasser
entsprechend kalt ist. In diesen Fällen ist dann durch die entsprechend
niedrige Kaltwassertemperatur das Schaltelement vor Überhitzung
ausreichend geschützt.
Bei geringerem Leistungsbedarf, insb. bei hohen Zulauftemperaturen,
ist die Leistung entsprechend auf die verschiedenen Heizkörper verteilt
bzw. auf Heizkörper
geringer Nennheizleistung, so daß die Schaltelemente trotz
hoher Zulauftemperatur vor einer Zerstörung durch Überhitzung zuverlässig geschützt sind.
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Dabei überprüft die Steuerschaltung, ob
die Zulauftemperatur ausreichend kalt ist, um die Schaltelemente
bei vorgegebener Heizleistung sicher zu kühlen. Ist das zulaufende Wasser
zu warm, reduziert die Steuerschaltung die Heizleistung des betreffenden
Schaltelementes und speist entsprechend andere Schaltelemente. Bei
dieser Lösung
wird die Heizleistung nur im Bedarfsfall auf mehr Heizkörper verteilt.
Ist die Zulauftemperatur ausreichend kalt, und liegt somit keine
Gefahr für
die Schaltelemente bzw. deren Kühlung
vor, schaltet die Steuerschaltung die erforderliche Heizleistung
entsprechend anderer Überlegungen
auf die Heiz
körper.
Wenn es beispielsweise regelungstechnisch besonders günstig ist,
wird möglichst
die gesamte Heizleistung auf die dem Zulauf des Durchlauferhitzers
unmittelbar zugeordneten Heizkörper
geschaltet. Dabei unterscheidet die Steuerschaltung gemäß Anspruch
1, ob die Heizleistung beliebig auf die Heizkörper schaltbar ist oder ob
aufgrund der zu hohen Zulauftemperaturen zur Entlastung der entsprechenden
Schaltelemente die Heizleistung zu reduzieren bzw. anders auf andere
Schaltelemente verteilt zu schalten ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
des elektrischen Durchlauferhitzers mit Blankdraht Heizelementen
schaltet die Steuerschaltung die Heizleistung bei einer Zulauftemperatur
von mehr als 50°C ab.
Da der elektrische Widerstand von Wasser mit zunehmender Temperatur
abnimmt und aufgrund von Sicherheitsvorschriften im Zulauf- bzw. Auslauf-Bereich
des Durchlauferhitzers entsprechende elektrische Isolationsstrecken
vorhanden sein müssen,
schaltet die Steuerschaltung die Heizleistung bei zu warmen zulaufenden
Wasser ab. Alternativ dazu könnte
auch beliebig warmes Zulaufwasser erlaubt werden, was jedoch zur
Folge hätte,
daß die Zulauf-
und Auslauf-Wasserstrecken aus Sicherheitsgründen entsprechend zu verlängern wären.
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Vorteilhafterweise ist ein Durchflußbegrenzer
zur Begrenzung der Durchflußmenge
im Wasserweg des Durchlauferhitzers angeordnet. Dadurch ist sichergestellt,
daß auch
bei extrem hohen Durchflußmengen
vor dem Durchflußbegrenzer
und sehr hohen Temperaturen der Zulaufleitung bzw. des Kaltwassers
eine Überhitzung
der Schaltelemente ausgeschlossen ist.
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Die Abstufung der Heizleistung ist
in bekannter Weise durch entsprechendes Ausblenden von Teilbereichen
des üblicherweise
sinusförmigen
Heizstromes möglich.
Um eine Erwärmung
der Schaltelemente durch die dabei erforderlichen Schaltvorgänge gering
zu halten, schaltet die Steuerschaltung die Heizleistung bzw. den
die Heizkörper
und die Schaltelemente durchfließenden Heizstrom in dessen Null-Durchgängen ein
und aus.
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Nachfolgend ist anhand der beiliegenden
Figuren ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des
elektrischen Durchlauferhitzers beschrieben. Es zeigen:
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1 stark
schematisiert den elektrischen Durchlauferhitzer;
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2 eine
Verteilung der Heizleistung auf die Heizkörper des Durchlauferhitzers;
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3 die
Abstufung der Heizleistung eines Heizkörpers und
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4 ein
einzelnes alternatives Heizmuster zu 2.
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1 zeigt
einen elektronischen Blankdraht-Durchlauferhitzer 1 mit
einem das zu erwärmende
Wasser führenden
Wasserweg 3. Dieser weist an seinem Eingang einen Zulauf 5 und
an seinem Ausgang einen Auslauf 7 auf. In dem Wasserweg 3 sind
hintereinander beabstandet vier elektrische Blankdraht-Heizkörper 9a, 9b, 9c, 9d in
an sich bekannter Weise angeordnet. Im Bereich des Zulaufs 5 des
Durchlauferhitzers 1 ist ein blendenförmiger Durchflußbegrenzer 11 vorgesehen,
der die Durchflußmenge
auf etwa 12 l/min begrenzt. Weiterhin sind im Wasserweg 3 strömungstechnisch
vor den Heizkörpern 9a–d ein
Durchflußmengenaufnehmer 13 und
ein erster Temperaturaufnehmer 15 angeordnet. Dabei erfaßt der erste
Temperaturaufnehmer 15 die Zulauftemperatur des unbeheizten
Wassers am Zulauf 5. Strömungstechnisch den Heizkörpern 9a–d nachgeschaltet
ist im Wasserweg 3 dem Auslauf 7 zugeordnet ein
zweiter Temperaturaufnehmer 17 zum Messen der Auslauftemperatur
des Wassers angebracht. Zur Bedienung des Durchlauferhitzers 1 und
zur Steuerung des Erwärmungsvorganges
ist eine Steuerschaltung 19 vorgesehen. Diese erhält von einer
Temperatur-Vorgabeeinrichtung 21 die gewünschte Temperatur
des auslaufenden Wassers. Zur Steuerung bzw. Regelung des Heizvorganges
ist die Steuerschaltung 19 mit dem Durchflußmengenaufnehmer 13 und
dem ersten und zweiten Temperaturaufnehmer 15, 17 verschaltet.
Zur Steuerung der Erwärmung
des im Wasserweg 3 fließenden Wassers ist die Steuerschaltung 19 über Triacs 23a,
b, c, d mit den entsprechenden Heizkörpern 9a–d verschaltet.
Die elektronischen Schaltelemente bzw. Triacs 23a–d sind
dabei zu deren Kühlung
thermisch leitend auf dem Wasserweg 3 befestigt. Der Wasserweg 3 besteht
deshalb zumindest in diesem Bereich aus einem metallischen Rohr,
wodurch die bei den Schaltvorgängen
in den elektronischen Schaltelementen 23a–d erzeugte Wärme abgeführt werden kann.
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In 2 sind
14 Heizmuster (2–15) zur
Bereitstellung einer Heizleistung von 24,0 kW gezeigt. Die strömungstechnisch
eingangsseitig liegenden Heizkörper 9a, 9b weisen
eine Nennheizleistung von jeweils 8 kW auf, die strömungstechnisch
ausgangsseitig liegenden beiden Heizkörper 9c, 9d weisen
jeweils eine Nennheizleistung von 4 kW auf. Die entsprechenden Schaltelemente
sind infolge der unterschiedlichen Nennheizleistungen unter schiedlich
dimensioniert. Aufgrund der möglicherweise
auftretenden Potentialunterschiede und der besonderen Beschattung
der Heizkörper 9a–9d sind
der strömungstechnisch
an zweiter und an dritter liegende Heizkörper 9b, 9c durch
eine Isolationswasserstrecke 25 voneinander getrennt.
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Die Abstufung bezüglich der Heizleistung ist in
den drei strömungstechnisch
eingangsseitig liegenden Heizkörpern
gleichermaßen
realisiert. Die Heizleistung ist entweder ausgeschaltet 0/3 oder
sie beträgt
1/3 oder 2/3 oder 3/3 der Nennheizleistung. Die Schaltvorgänge erfolgen
dabei in an sich bekannter Weise in den Null-Durchgängen des
Heizstromes 27. Die Periodendauer des Heizstromes 27 beträgt entsprechend
der Netzfrequenz 20 ms. In 3 ist das
Durchschalten der Heizleistung bzw. des Heizstromes 27 auf
die Heizkörper 9a–d durch
schraffierte Halbwellen markiert. Bei dem strömungstechnisch am Auslauf 7 liegenden
Heizkörper 9d sind
weitere, noch feiner abgestufte Heizleistungen realisierbar, was
nicht weiter beschrieben ist.
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Die Funktionsweise des Durchlauferhitzers ist
etwa wie folgt: Die Steuerschaltung 19 ermittelt aufgrund
der gemessenen Daten die zur Erreichung der gewünschten Auslauftemperatur erforderliche Heizleistung.
Dann wählt
sie das Heizmuster aus, das bezüglich
seiner Heizleistung größtmöglich ist, jedoch
noch kleiner als die erforderliche Heizleistung. Im Fall von 8,5
kW erforderlicher Heizleistung ist dies das Heizmuster 6 mit
einer Heizleistung von 8,0 kW. Dabei wird gemäß 2 die Heizleistung von den strömungstechnisch
ersten drei Heizkörpern 9a, 9b, 9c geliefert.
Die Geräteheizleistungsdifferenz
von 0,5 kW wird durch den strömungstechnisch
ausgangsseitigen Heizkörper 9d geliefert.
Entsprechend dem Heizmuster 6 sind die Nennheizleistungen
von jeweils 8 kW der beiden eingangsseitig liegenden Heizkörper 9a, 9b jeweils
gedrittelt und die Heizleistung des strömungstechnisch an dritter Stelle
liegenden Heizkörper 9c beträgt 2/3 x
4 kW. Entsprechend sind auch die durch die Triacs fließenden Heizströme verringert.
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Dabei arbeitet die Steuerschaltung 19 wie folgt:
Zunächst
wird aus den Eingangsdaten die erforderliche Heizleistung berechnet.
Dann ermittelt die Steuerschaltung 19 für jeden Heizkörper 9a–c die
resultierende Erwärmung
der Schaltelemente 23a–c und überprüft, ob bei
einem Schalten der maximalen Nennleistung der einzelnen Heizkörper 9a–c das
zulaufende Wasser ausreichend kalt ist, um die entsprechenden Schaltelemente 23a–c vor Überhitzung zu
schützen.
Im Beispielsfall einer zu schaltenden Gesamtleistung von 8,5 kW
entscheidet die Steuerschaltung 19 gemäß 2 und 4 zwischen
zwei möglichen
Schaltmustern 6, 6'. Ist das zulaufende Wasser
ausreichend kalt, so daß selbst
bei einer Beschaltung des strömungstechnisch
eingangsseitigen Heizkörpers
mit einer Nennheizleistung von 8 kW die kritische Temperatur des
diesem Heizkörper
zugeordneten Triacs 23a von ca. 100°C erfahrungsgemäß nicht
erreicht wird, schaltet die Steuerschaltung 19 3/3 x 8
kW auf diesen Heizkörper 9a entsprechend dem
Heizmuster 6' in 4.
Ist dagegen die Zulauftemperatur zu hoch, so daß trotz der Wasserkühlung die
kritische Temperatur des Schaltelementes 13a überschritten
würde,
schaltet die Steuerschaltung entsprechend dem Heizmuster 6 (2) über das Schaltelement 23a auf
den Heizkörper 9a nur
1/3 x 8 kW.