DE19839044A1 - Elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Luftstroms, mit einer zur Aufnahme einer Heizwendel ausgebildeten Trägervorrichtung, die eine Mehrzahl von axial aneinander ansetzbaren, zum Herstellen mindestens eines durchgehenden, sich axial erstreckenden Strömungskanals für das Fluid ausgebildeten Trägerelementen aufweist, wobei vorgesehen ist: Ein austrittsseitig vorgesehener, elektrischer Temperaturfühler, dessen Zuleitungen zu einem eintrittsseitigen Anschlussmodul an der Heizvorrichtung geführt sind, wobei das mit einer Steuerelektronik verbindbare Anschlussmodul einen elektronischen, der Heizvorrichtung individuell zugeordneten Speicherbaustein trägt, der zum nicht-flüchtigen Beschreiben mit individuellen Mess- und Prüfwerten der Heizvorrichtung, einschließlich eines individuellen Prüfwertes des Temperaturfühlers bei einer Betriebstemperatur, ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heiz­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so­ wie ein Verfahren zum Betreiben einer Heizvorrichtung.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung in Form eines elektrischen Heizkörpers ist aus der EP 0 123 698 B1 der Anmelderin be­ kannt. Erstmals wies diese Vorrichtung einen aus einer Mehrzahl von Heizkörperelementen mit kreisförmigem Quer­ schnitt zusammengesetzten Heizkörper auf, der eine durchge­ hende, zylindrische Mantelfläche anbietet, während im Innenraum des zylindrischen Körpers axiale Strömungskanäle für einen Luftstrom sowie diese Strömungskanäle querende Wendelelemente aus Heizdrahtmaterial vorgesehen sind. Im Ergebnis war mit dieser Vorrichtung aus dem Stand der Tech­ nik bereits eine kompakte Anordnung realisierbar, die hin­ sichtlich Fluiderwärmung und Strömungseigenschaften für das Fluid vorteilhafte Eigenschaften aufweist.

Jedoch hat sich insbesondere bei dieser Vorrichtung der mehrstufige, stückweise Aufbau einer Heizwendel als ferti­ gungstechnisch aufwendig und in der Ansteuerung bzw. im Heizverhalten als problematisch erwiesen. So entstehen näm­ lich insbesondere durch die zwischen aufeinanderfolgenden, ringförmigen Wendelsegmente Wärmebrücken, und darüber hin­ aus ist der Spannungsabfall entlang der Kette der aufeinan­ derfolgenden Wendelsegmente problematisch.

Ferner ist in dieser Druckschrift der Heizkörper als zylin­ drischer Körper mit i.w. homogener Außenfläche beschrieben, insbesondere jedoch die wärmeisolierte Montage dieses Kör­ pers etwa in einem Kunststoffgehäuse eines Heißluftgeblä­ ses gestaltet sich als schwierig und manuell aufwendig.

Schließlich weisen gattungsgemäße, bekannte Heizkörper den Nachteil auf, daß, montagebedingt bzw. durch unvermeidbare Streuungen im verwendeten Material, Toleranzen der Heiz­ wendeln usw. eine Ansteuerung der Heizwendel bis zur theo­ retisch möglichen Grenzlast oder nahe dieser nicht möglich ist, da sonst innerhalb einer produzierten Serie zahlreiche Geräte durch Überhitzung vorzeitig unbrauchbar werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gat­ tungsgemäße Heizvorrichtung im Hinblick auf ihre Heizeigen­ schaften, ihre mechanischen und Montageeigenschaften sowie hinsichtlich ihrer maximalen Ansteuerleistung weiter zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die Heizvorrichtung mit den Merkma­ len des Patentanspruches 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst.

In vorteilhafter Weise ermöglicht es die erfindungsgemäß vorgesehene, elektronische Speichervorrichtung, für die be­ vorzugt modulartig ausgebaute Heizvorrichtung konkret ge­ messene, individuelle Parameter direkt am Modul festzuhal­ ten und für eine spätere, elektronische Betriebssteuerung im Gerät, beispielsweise einem Heißluftgebläse, zur Verfü­ gung zu stellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ins­ besondere ein individueller Temperaturfühler-Meßwert gemäß Prüfmessung des betreffenden Heizmoduls im Speicher abgelegt ist, so daß eine mit dem Heizmodul zu verbindende Steuerelektronik dann unter Berücksichtigung dieses individuellen Wertes das Gerät vollständig und bis zur Leistungsgrenze aussteuern kann, ohne daß es etwa zu nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Heizwendel durch Überbelastung kommt. Darüber hinaus bietet der Speicherbaustein in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, weitere, etwa länder- oder versor­ gungsnetzspezifische Parameter vorzugeben, so daß eine vorgeschaltete, universell ausgerichtete Steuerelektronik dann mittels dieser Werte dem Benutzer ein individuell auf seine Bedürfnisse sowie auf die jeweiligen Bedingungen vor Ort, so etwa die Netzfrequenzen eines bestimmten Landes, zugeschnittene Vorrichtung anbietet, ohne daß etwa ein Endbenutzer selbst mühsame und/oder fehlerträchtige Ein­ stellungen vornehmen muß.

Im Ergebnis wird, insbesondere für hochwertige Geräte, der Bedienkomfort und die Leistungsdichte von gattungsgemäßen Heizvorrichtungen deutlich erhöht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

So ist es besonders bevorzugt, die erfindungsgemäß verbind­ bare Steuerelektronik so auszubilden, daß diese dem Benut­ zer das Vorgeben einer für das zu erwärmende Fluid zu wäh­ lenden Solltemperatur ermöglicht, wobei dann die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung, durch den erfindungsgemäß aus­ gangsseitig vorgesehenen Temperaturfühler, das Regeln der Ansteuerung bis zum Erreichen dieser Vorgabetemperatur er­ möglicht. Dies erfolgt in ansonsten bekannter Weise durch übliche Regelvorgänge, die besonders bevorzugt auf digita­ ler Ebene mittels eines aktuellen Temperaturmeßwertes (gewonnen durch die Temperaturfühler) einerseits sowie des Vorgabewertes andererseits realisiert werden können.

Besonders bevorzugt ist es zudem, auch eine aktuelle Ist- bzw. eine Soll-Drehzahl des für den Fluidtransport notwendigen Lüftermotors einzubeziehen. Durch eine umfassende Regelung auf der Basis sowohl der Motor- als auch der Temperaturparameter wird damit zum einen in betriebssicherheitserhöhender Weise sichergestellt, daß Überhitzungen, etwa durch zu geringe Motordrehzahl, nicht vorkommen können, und andererseits wird das Erreichen vorbestimmter Solltemperaturen, falls notwendig, durch Verringern des Luftstroms sichergestellt. Da, wie erwähnt, die vorliegende Erfindung die maximale Ausnutzung der Erwärmungsmöglichkeiten bzw. des Beheizungspotentials der Heizvorrichtung bezweckt, erscheint insbesondere für den Betrieb im Grenzbereich diese Regelung besonders zweckmäßig und vorteilhaft.

Besonders bevorzugt ist zudem, dem Benutzer eine numerische Ausgabeeinheit zur unmittelbaren Temperaturanzeige (wahlweise Soll- und/oder Ist-Temperatur) anzubieten, da insbesondere professionelle Anwender eine derartige Infor­ mation, etwa betreffend die tatsächlich erreichte Tempera­ tur, für ihre Arbeit benötigen können. Dabei ist es weiter bevorzugt, diese Temperaturanzeige mit einem zeitlich ab­ hängigen Umschaltmodus zu versehen.

In weiterbildungsgemäß vorteilhafter Weise ermöglicht die besondere Ausgestaltung der stegförmigen Abschnitte das gleichzeitige Führen und Halten eines durchgängig spiralförmigen, gewendelten Heizelements, welches auf diesem Wege einfach montiert und gleichmäßig beheizt sowie von dem Fluid umströmt werden kann. Insbesondere im Temperatur-Grenzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der bei einer Schmelztemperatur der Temperaturwendeln überschritten werden würde, ist eine derartige Ausbildung vorteilhaft und erhöht Lebensdauer und Betriebssicherheit eines mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung realisierten Gerätes gegenüber dem Stand der Technik. Gleichzeitig bleibt jedoch die bewährte, konstruktive Realisierung der Strömungskanäle zwischen benachbarten, sich radial erstreckenden Streben eines Keramikkörpers zwischen einem außenliegenden Ringabschnitt und einem innenliegenden Mittelabschnitt, der, weiter bevorzugt, zu­ sätzlich Kanäle für Zuleitungen od. dgl. aufweisen kann, er­ halten.

Ferner ist es zur Erhöhung der Heizleistung weiter bevor­ zugt, zwei Heizwendeln mit verschiedenen Außendurchmessern, die entlang derselben Achse angeordnet sind, durch die er­ findungsgemäße Heizvorrichtung zu führen, wobei in diesem Fall die stegförmigen Abschnitte jeweils zwei benachbarte Ausnehmungen für eine innen- bzw. außenliegende Wendel auf­ weisen. Weiter bevorzugt ist eine solche Heizwendelanord­ nung, die zu der gewünschten Heizleistungserhöhung führt, durch getrennte, individuelle Ansteuerung der Einzelwendeln in ihrer Leistung einstellbar, wobei sich sowohl Ausführun­ gen mit zwei sich über die gesamte Kanallänge des Strömungskanals erstreckenden Einzelwendeln bewährt haben, als auch, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeord­ nete, Doppelwendelstücke, die separat angesteuert werden.

Besonders vorteilhaft gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist zudem die zylindrische Mantelfläche jeweils endseitig einen erhöhten Rand auf, realisiert durch entsprechende Ringabsätze an Endstücken der Trägerelemente. Hierdurch entsteht eine besonders einfach und fertigungstechnisch günstig mit einer Isolatorfolie od. dgl. Material bewickelbare Aufnahme, die dann für eine gute Wär­ meisolation der so geschaffenen Anordnung in einem umgebe­ nen Gerätegehäuse sorgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der stegförmigen Ab­ schnitte gemäß dem Wendelverlauf bzw. der Wendelsteigung der Heizwendel(n) ist es notwendig, die einzelnen Träger­ elemente während der Montage besonders genau zueinander auszurichten, damit der Spiralverlauf der Wendel nicht unterbrochen wird. Diese notwendige Ausrichtung der Trägerelemente relativ zueinander wird erleichtert durch die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Zentrierstücke, die eine verdrehsichere Montage der einzelnen Trägerelemente erlauben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungs­ gemäßen Heizvorrichtung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines Heiz­ körpers gemäß einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung mit einer Mehrzahl scheibenförmiger Heizkörperelemente in montiertem Zustand;

Fig. 2: eine Perspektivansicht einer zur Verwen­ dung in der Anordnung gemäß Fig. 1 ein­ setzbaren, eingängigen, stufenlosen Heizwendel;

Fig. 3: einen Längsschnitt durch ein gebläseseitiges Endstück der Heizelementanordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 4: einen Längsschnitt durch ein Mittelstück der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechend einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 6;

Fig. 5: einen Längsschnitt durch ein auslaßseitiges Endstück der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 6: eine Draufsicht auf ein scheibenförmiges Heizkörperelement der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 7 bis Fig. 10: Teilschnitte der Strebenbereiche gemäß Schnittlinien VII bis X in Fig. 6;

Fig. 11: eine Doppelwendelanordnung mit einer innenliegenden und einer außenliegenden Heizwendel zur Verwendung in einer Heiz­ vorrichtung gemäß einer zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 12: eine alternative Ausführungsform zur Wendelanordnung der Fig. 11 mit einer vorderen (stromabwärts gelegenen) sowie einer hinteren (stromaufwärts gelegenen, jeweils bezogen auf ein Gebläse) Heiz­ wendelanordnung aus innenliegender und außenliegender, parallelgeschalteter Heizwendel;

Fig. 13: eine Perspektivansicht der Heizvorrich­ tung gemäß der zweiten Ausführungsform zur Aufnahme der Heizwendelanordnung ge­ mäß Fig. 11 bzw. Fig. 12;

Fig. 14: eine Draufsicht auf ein scheibenförmiges Heizelement der Anordnung gemäß Fig. 13;

Fig. 15: eine Schnittansicht entlang der Schnitt­ linie XV-XV in Fig. 14;

Fig. 16 bis Fig. 19: Teilschnitte eines Strebenbereichs ent­ lang der Schnittlinien XVI bis XXI in Fig. 14 mit dem Verlauf der Wendelkanäle in Streben des Heizkörperelements der Fig. 14 und

Fig. 20: ein Blockschaltbild eines Heißluftge­ bläses mit elektrischen Steuer- und Funktionskomponenten zur Steuerung und zum Betrieb der Heizanordnungen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 13.

Die Heizvorrichtung der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht aus einer Mehrzahl zylinderartig aneinandergereih­ ter, scheibenförmiger Heizkörperelemente 10 (neun Elemente im Ausführungsbeispiel der Fig. 1), die jeweils, wie in Fig. 6 gezeigt, einen ringförmigen Außenbereich (Außenring) 12, einen scheibenförmigen Innenbereich 14 sowie eine Mehr­ zahl den Außenring 12 sowie den Innenbereich 14 verbin­ dende, sich radial erstreckende Streben 16 aufweisen.

Ein einzelnes Heizkörperelement 10, wie in der Schnittan­ sicht der Fig. 4 gezeigt, weist einen Außendurchmesser von ca. 35 mm auf und ist ca. 9 mm tief. Zur ergänzenden Aus­ richtung der Elemente nebeneinander gemäß Fig. 1 ist mantelseitig eine Markierungsrille 31 vorgesehen, die sich bei korrekt aneinandersitzenden Einzelelementen 10 zu dem in Fig. 1 gezeigten, durchgehenden Strichmuster ergänzt.

Der Innenbereich 14 weist eine Mehrzahl i.w. kreisförmiger Durchbrüche 18 auf, die, in der Anordnung der Fig. 1, zu­ einander fluchtend ausrichtbar sind und so sich durch die Heizkörperanordnung der Fig. 1 längs erstreckende, durchgängige Kanäle ausbilden. Genauer gesagt weisen die bevorzugt aus keramischem Material gefertigten Heizkörper­ elemente 10 einen vierkantförmigen Durchbruch 19 im Zentrum des Innenbereichs 14 auf, durch welchen ein in der Fig. 1 lediglich schematisch angedeutetes, vierkantförmiges Spannelement 20 geführt werden kann und so für einen festen, verdrehsicheren Halt der Mehrzahl von Elementen 10 sorgt. Darüber hinaus sind auf dem scheibenförmigen Innen­ bereich 14 jedes Heizkörperelements 10 vier kegelförmige Vorsprünge in Form von Zentrierspitzen 22 um den Mittelpunkt herum angeordnet, welche in jeweils zugeordnete Zentrierbohrungen eines in der Anordnung der Fig. 1 benachbarten Elements eingreifen und so für eine exakte Positionierung der einzelnen Elemente zueinander sorgen.

Beidseits der Mehrzahl der Heizkörperelemente 10 in Fig. 1 sind Endstücke vorgesehen, und zwar ein eintrittseitiges (gebläseseitiges) Endstück 24, welches einem Gebläsemotor zur Förderung eines Fluids (bevorzugt Luft) durch die Heiz­ körperanordnung hindurch, benachbart sitzt, sowie am gegen­ überliegenden Ende ein austrittsseitiges Endstück 26. Beide Endstücke 24, 26 begrenzen auf diesem Wege die Heizkör­ peranordnung der Fig. 1, wobei, wie sich aus der Gegenüber­ stellung der Längsschnitte durch die Einzelelemente 10, 24, 26 der Fig. 3 bis 5 ergibt, sowohl das eintrittsseitige Endstück 24 als auch das austrittsseitige Endstück 26 je­ weils einen Ringabsatz zu ihrer jeweiligen, außenliegenden Endfläche hin aufweisen. Ein Ringabsatz 28 des aus­ trittsseitigen Endstücks 26 bildet dabei einen etwas geringeren Außendurchmesser aus, als ein Ringabsatz 30 des eintrittsseitigen Endstücks 24. Durch die Ringabsätze 28, 30 entsteht ein beidseits von einem Rand begrenzter, durch die Außenflächen der jeweiligen Heizkörperelemente 10 ge­ bildeter Mantelabschnitt, welcher zum Bewickeln mit einer Isolierfolie ausgebildet und vorgesehen ist. Genauer gesagt ermöglicht es diese Anordnung, Isolierfolie kompakt, posi­ tionsgenau und mechanisch zuverlässig auf die Heizkörperan­ ordnung der Fig. 1 aufzubringen, ohne daß hierfür geson­ derte Vorkehrungen zur Führung oder Befestigung der Iso­ lierfolie getroffen werden müßten.

Die in der Fig. 2 gezeigte, eingängige und stufenlose Heiz­ wendel 32 verläuft im Inneren der Heizkörperanordnung der Fig. 1, und zwar werden die gewendelten Abschnitte der Heizwendel 32 durch an geeigneter Stelle in den Streben 16 der Heizkörperelemente 10 gebildete Ausnehmungen bzw. Durchbrüche geführt. Dieser Mechanismus ergibt sich aus der Abfolge der Teilschnittansichten gemäß Fig. 7 bis Fig. 10, welche den Verlauf einer in der jeweiligen Strebe 16 gebildeten Ausnehmung 34 zeigen. Die Fig. 7 bis Fig. 10, die den Verlauf über einen Umfangswinkel von etwa 120° des Heizkörperelements 10 der Fig. 6 zeigen, verdeutlichen, wie die Ausnehmung 34 bzw. der verbleibende Steg 16 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Streben sich so kontinuierlich verändern bzw. verschieben, daß der Wendelform bzw. dem Wendelverlauf kontinuierlich gefolgt wird und die in das Heizkörperelement 10 eingelegte Heizwendel 32 durch die Abfolge der Streben in Umfangsrichtung stufenlos und spiralförmig entlang ihrer Steigung geführt und unterstützt wird. Insgesamt bildet so jedes scheibenförmige Heizkörperelement 10 eine Unterstüt­ zung für eine volle Umdrehung der Wendel 32, so daß durch Aneinandersetzen einer Mehrzahl von Heizkörperelementen 10 eine entsprechend lange Wendel gehalten und geführt werden kann. Wie in der Fig. 2 gezeigt, können sowohl eine austrittsseitige Zuleitung 36 als auch eine eintrittsseitige Zuleitung 38 durch entsprechende Durchbrüche 18 des Heizkörperelements 10 längs der Erstreckungsrichtung der Heizkörperanordnung der Fig. 1 bis zum Anschlußende geführt werden, wobei die Durchbrüche 18, wie in der Fig. 6 gezeigt, hierfür geeignet auch in radialer Richtung Öffnungen aufweisen.

Ergänzend bietet die Anordnung der Heizkörperelemente 10 mit den Durchbrüchen im Innenbereich der jeweiligen Ein­ zelelemente Kanäle für zusätzliche Leitungen, etwa für einen am austrittsseitigen Endstück 26 vorsehbares Thermo­ element, an, dessen Zuleitungen dann in entsprechender Weise am eintrittsseitigen Ende mit zugehöriger Aus­ werteelektronik verbunden werden können.

Im betriebsfertigen Gerät verläuft die in der Fig. 2 ge­ zeigte Wendel, in der oben beschriebenen Weise geführt, im Bereich der Streben 16 zwischen Außenring 12 und Innenbe­ reich 14 eines jeweiligen Heizkörperelements. Damit ist sichergestellt, daß Luft, die in Pfeilrichtung 42 in das eintrittsseitige Ende der Heizkörperanordnung der Fig. 1 eintritt, durch den vom Außenring 12 und Innenbereich 14 begrenzten, hohlzylindrischen Bereich geleitet wird, mit optimierter Angriffsfläche die Wendel umströmen kann und so mit bestem Wirkungsgrad aus der Anordnung, auf eine Aus­ trittstemperatur von z. B. 600° beheizt, austreten kann. Durch die stufenlose Ausbildung der Heizwendel findet dar­ über hinaus eine gleichmäßige, brückenlose Beheizung dieser Wendel und damit des Luftstroms statt, wodurch insbesondere die Lebensdauer der Vorrichtung beträchtlich erhöht werden kann. Schließlich ist es zudem weiterbildungsgemäß möglich, zum austrittseitigen Ende der Anordnung hin - da dort bereits erwärmte Luft fließt - eine geringere Wicklungs- bzw. Wendeldichte der Wendel vorzusehen, als auf der Eintrittsseite, wobei, weiter bevorzugt, diese Variation entlang der Wendelausdehnung auch stufenlos erfolgen kann.

Unter Bezug auf die Fig. 11 bis 19 wird im weiteren eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrie­ ben, die insoweit als beste Ausführungsform (best mode) an­ gesehen wird.

Die in Fig. 13 in der Perspektivansicht montiert gezeigte zweite Ausführungsform besteht, analog der ersten Ausfüh­ rungsform, aus einer Aneinanderreihung einzelner Heizkör­ perelemente 44, die mittels einer Markierungslinie 46 zu­ einander ausgerichtet sind und beidends von einem an­ schlußseitigen Endstück 48 bzw. einem austrittsseitigen Endstück 50 begrenzt werden. Wiederum bilden hier beide Endstücke 48, 50 einen Rand für eine zwischenliegende, durchgehende Mantelfläche aus, die in der vorbeschriebenen Weise mit Isolierpapier umwickelt werden kann. Geometrisch unterscheidet sich die Anordnung der Fig. 13 von der Vor­ richtung nach Fig. 1 durch einen etwas größeren Außen­ durchmesser der mittleren Heizkörperelemente 44, nämlich im beschriebenen Ausführungsbeispiel ca. 45 mm, sowie durch eine etwas andere Anordnung von im Innenbereich 52 eines jeweiligen Einzelelementes liegender Durchbrüche 54 für die Zuleitungen zu den Heizelementen.

Genauer gesagt sieht diese Ausführungsform vor, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, daß eine (Fig. 11) bzw. zwei (alternative Ausführungsform Fig. 12) Doppelwendel(n) für die Erwärmung des Luftstroms zwischen Innenbereich und außenliegendem Ringabschnitt der jeweiligen Heizkörperelemente 44 sorgen. Wie nämlich anhand der Schnittansicht der Fig. 15 durch ein mittleres Heizkörperelement 44 gezeigt (bei einem Durchmesser von 45 mm ist das Element im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 8 mm dick), können im Bereich der Streben 58, die den Ringabschnitt 56 mit dem Innenbereich 52 verbinden, zwei Wendeln mit unterschiedlichem Wendeldurchmesser geführt werden, und die Streben 58 weisen hierfür entsprechend wendelförmig verlaufende bzw. umfangsweise abgestufte Ausnehmungen 60 auf. Wie die Abfolge der Fig. 16 bis 19 entlang der Umfangsrichtung der Fig. 14 verdeutlicht, ist zudem die Steigung einer innenliegenden Wendel 59, erkennbar durch innenliegende Ausnehmungen 60 _a, geringer als die Steigung einer außenliegenden Wendel 61, geführt in zugehörigen, äußeren Ausnehmungen 60 _b in den jeweiligen Streben 58. Auch hier ist jedoch erfindungsgemäß reali­ siert, daß die Wendeln kontinuierlich und stufenlos ge­ führt werden können; im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 12 jedoch in zwei Abschnitten, die in einem vorderen, austrittseitigen Doppelwendelabschnitt 62 und einem hinteren, gebläseseitigen (eintrittseitigen) Doppelwendelabschnitt 64 aufgeteilt sind und jeweils aus einer Parallelschaltung von innerer und äußerer Wendel bestehen. Die Zuführung des Fluids erfolgt wiederum aus der Richtung der Anschlüsse bzw. Zuleitungen zu den Wendeln.

Wie die Draufsicht auf ein Element 44 der Fig. 15 verdeut­ licht, ist durch die Doppelwendelheizung die Anzahl der Zuleitungen höher, und entsprechend erhöht sich die Anzahl der im Innenbereich 52 vorgesehenen Durchbrüche 54. Wie zudem aus Fig. 14 bzw. Fig. 15 zu erkennen ist, findet, analog der Zentrierkegel der Fig. 6, ein Ausrichten benach­ barter Heizkörperelemente 44 zueinander zur Anordnung der Fig. 13 mittels kegelstumpfförmiger Erhebungen 66 statt, die um den Umfang verteilt, auf dem Ringabschnitt 56 vorge­ sehen sind und in der dargestellten, nicht radial symmetrischen Anordnung eine eindeutige Fixierung der Einzelelemente zueinander in Umfangsrichtung definieren.

In montiertem Zustand der Fig. 13 nimmt die gezeigte Anord­ nung der Heizkörperelemente entweder die einstückige Dop­ pelwendel der Fig. 11, oder aber die geteilte Doppelwendel der Fig. 12 auf, wobei durch entsprechende Verschaltung bzw. Ansteuerung dieser Wendelanordnungen jeweils zwei Leistungsstufen aktiviert werden können: Hinsichtlich der Fig. 11 würde eine erste (niedrige) Heizstufe das Aktivie­ ren lediglich der inneren Heizwendel 59 vorsehen, und auf einer zweiten, höheren Heizstufe würde dann die Parallel­ schaltung beider Heizwendeln 59, 61 aktiviert werden.

Dagegen besteht bei der Fig. 12 sowohl der hintere als auch der vordere Doppelwendelabschnitt 64, 62 jeweils bereits aus einer Parallelschaltung der entsprechenden Wider­ standsheizelemente, und entsprechend würde eine erste Heiz­ stufe das Aktivieren eines der beiden Doppelwendelab­ schnitte vorsehen, um dann bei Volllast in einer zweiten Heizstufe den jeweils anderen zusätzlich zu aktivieren.

Eintrittsseitig (d. h. auf den Lüftermotor gerichtet) weisen die vorbeschriebenen Ausführungsformen einen in den Figuren nicht gezeigten Anschlußkopf auf, welcher, neben geeigne­ ten Steckerstiften zum Anschluß des jeweiligen Heizkörpers an die zugeordnete Elektronik, ein EEPROM als mit den elek­ trischen und Prüfdaten einer jeweiligen Vorrichtung be­ schriebenes Speicherelement trägt. Genauer gesagt sind in diesem elektronischen Speicherbaustein individuelle Daten hinsichtlich Heizungstyp (einstufig/zweistufig, eine Wendel bzw. zwei Wendeln), Temperaturparameter (z. B. Anzeige in Grad Celsius oder Grad Fahrenheit), weitere Abgleichwerte (konkretes Temperaturverhalten) und Produktionsdaten gespeichert. Am diesem Anschlußkopf gegenüberliegenden Ende sitzt austrittsseitig ein in den Figur nicht gezeigtes Thermoelement, dessen Temperaturinformation dann ebenfalls über den Anschlußkopf abgegriffen werden kann.

Unter Bezug auf das Blockschaltbild der Fig. 20 wird im weiteren die elektrische Beschaltung sowie die Steuerung bzw. der Signalfluß beim Betrieb der vorbeschriebenen Aus­ führungsformen beschrieben, wobei die in der Fig. 20 ge­ zeigte Elektronik 68 auf einem geeigneten Träger, etwa einer Platine, im Gehäuse eines Heißluftgebläses enthalten ist und elektrisch mit den Anschlüssen am Heizmodul 70 (genauer: dem Anschlußkopf an den in den Fig. 1 bzw. 13 gezeigten Anordnungen) kommuniziert. In den Figur sind die Komplexe "Elektronik" 68 bzw. "Heizmodul" 70 durch jeweils gestrichelte Linien voneinander abgegrenzt, wobei zur Elek­ tronik 68 auch noch der Lüftermotor 72 in Form eines bürstenlosen DC-Motors gerechnet wird (der im montierten Zustand Luft durch die beschriebenen Anordnungen leitet), ferner eine Motorsteuereinheit 74 zur elektronischen An­ steuerung des Motors 72 sowie zur Erfassung einer Ist-Dreh­ zahl des Motors reist, die entsprechende Halbleiterbauele­ mente, ein Schaltnetzteil und ein Steuer-ASIC für den Motor aufweist und in nachfolgend zu beschreibender Weise von einem zentralen, prozessorgesteuerten Regelkreis ange­ steuert wird. Eine Heizungs-Steuereinheit 76 weist Triacs zum Schalten der Heizwendel sowie Optokoppler zur Nulldurchgangsdetektion auf, um den Einschaltzeitpunkt mit hinreichender Genauigkeit bestimmen zu können.

Genauer gesagt wirkt die Steuereinheit 76 mit dem ersten Heizstrang 78 und einem zweiten Heizstrang 80 zusammen (im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 entfällt der zweite Heizstrang; im Fall der Fig. 12 für das zweite Aus­ führungsbeispiel bedeuten die Heizstränge die innere bzw. äußere Heizwendel 59, 61, und im Fall der Fig. 12 den vorderen bzw. hinteren Doppelwendelabschnitt 62, 64).

Das Heizmodul 70 ist in der Realisierung der Ausführungs­ formen gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 13 so dimensioniert, daß die Oberflächentemperatur des Heizdrahtes für die Wendeln nahe an dessen Schmelzpunkt liegt, so daß es zur Aufrechterhal­ tung einer zu garantierenden Betriebsdauer notwendig ist, daß jede individuell gefertigte Heizanordnung an der je­ weils heißesten Stelle von einem Prüfgerät vermessen wird, wobei dann die so erfaßten, spezifischen Eigenschaften der Heizung für die elektronische Ansteuerung bzw. die Parame­ trisierung des Betriebsverfahrens zugänglich gemacht werden können. Aus diesem Grund ist der vorerwähnte EEPROM, Be­ zugszeichen 82 im Blockschaltbild der Fig. 20, unmittelbar am Heizmodul vorgesehen und enthält die jeweils produktspe­ zifischen Daten wie folgt:

Nach der Vermessung auf einem Prüfplatz ist vor allem der Meßwert einer Thermoelementspannung eines ebenfalls am Heizmodul vorgesehenen, als Cr-Ni-Cr-Thermoelement realisierten Thermoelements 84 bei einer Temperatur von z. B. 600°C (maximale, gewünschte Betriebstemperatur) an der jeweils heißesten Stelle gespeichert. Darüber hinaus sind in dem Speicherbaustein folgende technische Informationen abgelegt: Ein Kenner für das Versorgungsnetz bzw. die Netz­ frequenz eines vorgesehenes Betriebslandes, da, wie nach­ folgend noch zu erläutern sein wird, die Ansteuerung für die Motoreinheit bei Betreiben an einem 50 Hz-Netz gegenüber einem 60 Hz-Netz verändert erfolgt. Darüber hinaus ist ein Wert für die Raumtemperatur angegeben, welcher bei einer Temperaturmessung ohne Heizbetrieb angezeigt wird (Anzeige-Offset); es ist ein Indikator vorhanden, ob eine an späterer Stelle zu erläuternde, zentrale Steuereinheit für die Temperaturanzeige die auszugebende Temperaturwerte in Grad Celsius oder Grad Fahrenheit aufbereiten muß, es sind darüber hinaus weitergehende Reglerparameter für verschiedene Motordrehzahlbereiche gespeichert, die die zentrale Steuereinheit zur Motorregelung verwendet, und es findet mittels vorgegebener Parameter eine Vorgabe zur Steuerung der Trägheit einer Anzeigesteuerung statt. Ferner enthält der Speicherbaustein 82 einen Referenz-Temperaturwert für eine Temperaturkompensation mittels eines Kompensations- Meßelementes 86 (das Thermoelement 84 erzeugt als Thermospannung einen Meßwert relativ zu einer Vergleichsstelle. Da jedoch diese Referenzpunkt bei Betrieb des Gerätes erwärmt wird, kann mittels des Kompensations- Meßelements 86, z. B. einem NTC, die Temperatur dieser Vergleichsstelle gemessen werden, um den entstehenden Fehler zu kompensieren).

Weitere, individuell einem Heizmodul zugeordnete Parameter sind Angaben über einen Heizungstyp (ein bzw. zwei Heiz­ stränge), Dauer einer Anzeige eines von einem Benutzer ein­ zustellenden Temperatur-Sollwertes (statt eines permanent angezeigten Temperatur-Istwertes), eine automatische Dreh­ zahlabsenkung bei hohen Temperaturwerten sowie weitere Sta­ tusangaben. Im Ergebnis stellt der spezifisch programmierte Speicherbaustein 82 sämtliche heiz- und temperaturrelevan­ ten Parameter bereit, um der angeschlossenen Elektronik 68 die Basis für eine Motor- und Heizungsregelung zu bieten, die die Belastbarkeit der Heizwendeln maximal ausnutzt und trotzdem keinen unbeabsichtigten Verschleiß des Materials herbeiführt. Bei diesem individuell für jedes Heizmodul er­ stellten Speicherbaustein ist, wie erwähnt, die wichtigste Information die konkret gemessene Thermoelementspannung des Ni-CrNi-Elements 84 bei maximaler Betriebstemperatur.

Die Heizeinheit 70 wird von einer in dem Elektronikmodul 68 vorgesehenen, zentralen Steuereinheit gemäß den Vorgaben des Benutzers bzw. den im Speicherbaustein 82 abgelegten Parametern angesteuert, wobei die Steuereinheit, in der Fig. 20 durch die gestrichelte Linie 88 angedeutet, die folgenden Funktionskomponenten aufweist (diese können so­ wohl durch dezidierte Hardware-Schaltungen realisiert sein, wie dem Fachmann unmittelbar klar ist, oder aber Funktiona­ litäten eines mit entsprechender Software versehenen Mikro­ controllers od. dgl. Prozessorelements sein). Ein Abgleich- und Prüfmodul 89 empfängt die Parameterdaten des EEPROM 82 aus dem Heizmodul und lädt darüber hinaus weitere, von einem separaten EEPROM 90 gelesene Parameter und Vorgaben. Nach Durchführen einer Abgleich- und Plausibilitätsprüfung nach Betriebsbeginn des in Fig. 20 gezeigten Heißluftgeräts, die bei einem kritischen Fehler zum Abschalten der Heizung und zur Ausgabe einer Servicemeldung auf einem Anzeigebaustein 92 (Anzeigemodul mit zugehörigem Ausgabe-Controller) führt, beginnt die Heizungs- und Motoransteuerung, wobei zu diesem Zeitpunkt bereits geprüft worden ist, ob eine Heizung auf das Gerät gesteckt ist, welche Konfiguration diese Heizung besitzt und welche konkreten Temperaturparameter bei dieser Heizung gemessen und gespeichert worden sind.

Über eine Verstärkereinheit 94 wird eine aktuelle, vom Thermoelement 84 abgegebene Thermospannung verstärkt und einem A/C-Wandler 96 als Ist-Temperatur T_ist zugeführt. Der A/C-Wandler der zentralen Steuereinheit 88 empfängt darüber hinaus einen extern vom Bediener vorgegebenen Temperatur­ sollwert T_soll sowie einen Drehzahl-Sollwert n_soll. Weiterhin wird eine Kompensationstemperatur T_comp des Kompensations­ meßelements 86 eingelesen. Schließlich empfängt der AD- Wandler 96 noch die aktuelle Motordrehzahl n_ist der Motor­ steuereinheit 74, wobei mittels einer Fehlererkennungsein­ heit 98, die einer Motorregelungseinheit 100 nachgeschaltet ist, eine Überwachung der tatsächlichen Motordrehzahl n_ist durchgeführt wird. Sollte nämlich etwa die Drehzahl des Mo­ tors, z. B. durch Verschmutzung oder Fremdkörper auf dem Schaufelrad, zu weit absinken und damit einen notwendigen Luftfluß durch den Heizkörper nicht mehr ermöglichen, schaltet die zentrale Steuereinheit 88 die Heizstränge 78 und ggf. 80 ab und gibt auf der Anzeigeeinheit 92 eine ent­ sprechende Fehler- bzw. Servicemeldung aus.

Eine im bidirektionalen Datenaustausch mit der Motorrege­ lungseinheit 100 dargestellte Temperaturregelungseinheit 102 ist als digitaler PI-Regler realisiert. Eine Interak­ tion zwischen der Motorregelung 100 und der Temperaturrege­ lung 102 erfolgt insoweit durch gegenseitige Beeinflussung, als etwa eine Erhöhung der Motordrehzahl eine Änderung des Regelverhaltens für die Temperatur bewirkt, und eine Erhö­ hung der Temperatur eine Absenkung der Motordrehzahl, da die Luftmengeleistung des Lüftermotors so groß ist, daß die Temperaturregelung ohne eine automatische Absenkung der Motordrehzahl bei hohen Solltemperaturen nicht in der Lage wäre, die geforderte Temperatur einzustellen.

Der Benutzer kann entsprechend durch Vorgeben einer Soll­ temperatur, die auf der Anzeigeeinheit 92 in Form einer di­ gitalen, mehrstelligen (z. B. 7-Segment-Anzeige) Anzeigeein­ heit dargestellt wird, einen gewünschten Temperaturwert der aus dem Gerät austretenden Heißluft vorwählen, und es wird dann durch die zentrale Steuereinheit 88 gemäß aktuell erfaßtem Temperatur-Istwert T_ist die Steuerleistung für die Heizung erhöht, bis der vorgegebene Sollwert erreicht ist. Daraufhin wird im Wege einer Regelschleife die Temperatur auf dem gewünschten Pegel gehalten. Je nach Vorgabe ermöglicht es das Anzeigemodul 92, den von dem Bediener eingestellten Sollwert für eine vorbestimmte Zeit seit der Bedienung eines Stellelements anzuzeigen, bis zurück in einen Anzeigemodus für eine tatsächliche Ist-Temperatur T_ist zurückgeschaltet wird.

Auf die beschriebene Weise ist es somit möglich, mit einem einsträngigen Heizmodul (Ausführungsbeispiel der Fig. 1) ein Heißluftgerät einer Leistung von etwa 1.700 Watt zu realisieren, während ein zweisträngiger Apparat (Fig. 13) eine Heizleistung von etwa 3.400 Watt bei, wie oben be­ schrieben, kompakten Abmessungen und langer Lebensdauer im Dauerbetrieb, ermöglicht.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Realisierungsform der vorliegenden Erfindung findet eine Ansteuerung der ein- oder zweisträngigen Heizwendeln bei Minimierung etwaiger Netzstörungen und Netzrückwirkungen statt. Zu diesem Zweck wird die gesamte Last für jeden Heizstrang jeweils während vollständiger Halbwellen der Versorgungsspannung geschal­ tet, wobei, in Abhängigkeit von einem jeweiligen Schaltmu­ ster, eine stufenweise Leistungsstellung durch Steuerung dieses die ein- bzw. ausgeschalteten Halbperioden angebenden Schaltmusters erfolgen kann. Genauer gesagt wird ein Schaltmuster innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode T = k × 3.000 / [Netzfrequenz in Hz] gewählt, wobei k eine ganzzahlige, natürliche Zahl ist und das Schaltmuster innerhalb jeder Periode T konstant bleibt. Für eine Netzfrequenz von 50 Hz ist damit eine Zeitperiode T = 60 ms oder ein ganzzahliges Vielfaches davon, und innerhalb dieser 60 ms werden jeweilige Halbwellen ein- oder zweisträngig so geschaltet, daß der gesamte, geschaltete Gleichleistungsanteil innerhalb einer Periode Null bleibt. Während bei nur einem Heizstrang hierdurch vier realisierbare Schaltstufen (0, 1/3, 2/3, voll) entstehen, ergeben sich bei einer Heizung mit zwei unabhängig voneinander geschalteten Strängen (jedoch während derselben Periode T) insgesamt sieben Leistungsstufen durch Variation des Schaltmusters für jeweils ganze, geschaltete Halbwel­ len.

Im Ergebnis ermöglicht es die beschriebene Steuerschaltung zusammen mit einem der vorstehend erläuterten Ausführungs­ beispiele für das Heizmodul, eine Heizvorrichtung für ein Fluid, insbesondere ein Heißluftgebläse, zu schaffen, wel­ ches in außerordentlich leistungsfähiger bei noch kom­ pakter Bauweise hohe Heizleistungen mit einer genauen Temperaturregelung, die in überaus benutzerfreundlicher Weise mit einer von dem Benutzer einzustellenden Solltemperatur arbeitet, zu kombinieren. Heizmodulspezifische Parameter und Temperaturdaten gestatten in diesem Zusammenhang maximale Steuerleistungen, ohne die Lebensdauer der hochbelasteten Heizstränge zu gefährden.

Claims (15)

1. Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen eines Fluids, insbesondere eines Luftstroms, mit einer zur Aufnahme einer Heizwendel (32) ausgebildeten Trägervorrichtung, die eine Mehrzahl von axial aneinander ansetzbaren, zum Herstellen mindestens eines durchgehenden, sich axial erstreckenden Strömungskanals für das Fluid ausgebilde­ ten Trägerelementen (10; 44) aufweist, gekennzeichnet durch einen austrittsseitig vorgesehenen, elektrischen Tem­ peraturfühler (84), dessen Zuleitungen (40) zu einem eintrittseitigen Anschlußmodul an der Heizvorrichtung geführt sind, wobei das mit einer Steuerelektronik ver­ bindbare Anschlußmodul einen elektronischen, der Heiz­ vorrichtung individuell zugeordneten Speicherbaustein (82) trägt, der zum nicht-flüchtigen Beschreiben mit individuellen Meß- und Prüfwerten der Heizvorrichtung, einschließlich eines individuellen Prüfwertes des Tem­ peraturfühlers bei einer Betriebstemperatur, ausgebil­ det ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen des elektrischen Temperaturfühlers in axialer Richtung durch zugeordnete Durchbrüche (18; 54) der Trägerelemente (10; 44) hindurch zum Anschluss­ modul geführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit der Heizwendel verbundene Steuerelektronik (68) zum Einregeln einer von einem Be­ nutzer vorgebbaren Solltemperatur für das Fluid in Ab­ hängigkeit von dem individuellen Prüfwert sowie eines aktuellen Temperatursignals des Temperaturfühlers (84) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik zum Erfassen einer Drehzahl eines das Fluid durch die Heizvorrich­ tung bewegenden Lüftermotors (72) und zum elektroni­ schen Regeln der Fluidtemperatur in Abhängigkeit sowohl von einer tatsächlichen Ist-Drehzahl als auch einer vorgebbaren Solldrehzahl des Lüftermotors ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbaustein (82) zum Speichern einer elektronischen Kennung für eine Netz­ frequenz, mit welcher die Heizvorrichtung zu betreiben ist, und/oder für ein Temperaturanzeigeformat (Grad Celsius, Grad Fahrenheit) zur Verarbeitung durch die Steuerelektronik (68) beschreibbar ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine mit der Steuerelektronik verbundene Anzeigeeinheit (92), die zum numerischen Ausgeben einer aktuellen Ist- und/oder einer von einem Benutzer vor­ gebbaren Solltemperatur des Fluids ausgebildet ist und bevorzugt in Abhängigkeit von einem im Speicherbaustein (82) gespeicherten Parameter die Temperaturen in Grad Celsius oder Grad Fahrenheit ausgibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine manuell betätigbare Einheit zum Vorwählen einer Soll­ temperatur für das Fluid, wobei die Anzeigeeinheit (92) als Reaktion auf eine manuelle Betätigung der Vorwahl­ einheit für einen vorbestimmten Zeitraum zum Anzeigen der Solltemperatur und daraufhin zum Umschalten und zum Anzeigen der Ist-Temperatur ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Strömungskanal bestimmende, stegförmige Abschnitte (16; 58) der Trägerelemente (10; 44) Ausnehmungen (34; 60) zum Halten und Führen einer spiralförmigen Heizwendel aufweisen, die, entlang einer Umfangsrichtung der Trägerelemente, aufeinanderfolgend so ausgebildet und bemessen sind, daß die Aufnehmungen einer konstanten Steigung der Heizwendel kontinuierlich über eine Mehrzahl benachbarter Triggerelemente folgen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die stegförmigen Abschnitte der Trägerelemente zum Halten und Führen von zwei Heizwendeln (59, 61) ausge­ bildet sind, die axial zueinander angeordnet sind, unterschiedlich große Spiraldurchmesser aufweisen und bevorzugt separat mit elektrischer Betriebsspannung an­ steuerbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die spiralförmige Heizwendel (32; 59, 61) durchgängig ausgebildet ist und sich i.w. über die gesamte Länge des Strömungskanals erstreckt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die spiralförmige Heizwendel (62, 64) in axialer Richtung mehrstückig und separat ansteuerbar ausgebildet ist.

12. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Heizvorrich­ tung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerung minde­ stens einer Heizwendel der elektrischen Heizvorrichtung mit einem Wechselstrom durch Ein- oder Ausschalten des Wechselstroms mit vollen Halbperioden und während die­ ser erfolgt, wobei ein Schaltmuster des Ein- oder Aus­ schaltens so gebildet ist, daß innerhalb aufeinander­ folgender Zeitperioden T = k × 3.000/f mit k = ganze natürliche Zahl≧ 1 und f = Frequenz des Wechselstroms, der eingeschaltete Gleichstromanteil zu Null wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb derselben Zeitperiode T zwei Heizwendeln unabhängig voneinander geschaltet werden, wobei der ku­ mulierte eingeschaltete Gleichstromanteil beider Wendeln zu Null wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine innenliegende und eine außenliegende von zwei entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichteten, spiral­ förmigen Heizwendeln geschaltet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine stromabwärts sowie eine stromaufwärts lie­ gende Doppelwendel, die entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, geschaltet werden.