DE3113545A1

DE3113545A1 - Sicherheitsthermostat fuer heizer

Info

Publication number: DE3113545A1
Application number: DE19813113545
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 8013 Haar Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1982-10-21

Description

Sicherheitathermostat fAr Heizer.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sicherheitsthermostat für Heizer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind Warmwasserbereiter, Boiler, Speicher, Waschmaschinen, Geschirrspüler bekannt, deren Wassertemperatur mit Hilfe eines Thermostates einstellbar ist. F'Ur die Einstellung kann ein außen angebrachter Drehknopf oder eine Steuerschaltung oder im Innern des Gerätes eine Einstellung, beispielsweise mittels eines Schraubendrehers, vorgesehen sein. Diese einstellbaren Thermostaten sind im allgemeinen Bimetall-Elemente mit galvanischen Kontakten. Bei solchen Kontakt-Thermostaten besteht aber die Gefahr, daß die Kontakte durch Lichtbogen zusammenschweißen und/oder daß die Schnappmechanik des Schalterteils des Thermostaten versagt und somit der Warmwasserbereiter fortlaufend aufgeheizt wird, bis der drahtgewickelte Heizkörper trockengeht und durchbrennt. Große Gefahr bringt dabei der Zustand mit sich, daß bereits ein wesentlicher Anteil des im Warmwasserbereiter vorhandenen Wassers verdampft und aus dem Gerät entwichen ist, und dann plötzlich kaltes Wasser neu einfließt, mit dem Ergebnis, daß die momentane Verdampfung dieses neu zugeführten Wassers an dem glühenden Heizkörper zu einer explosionsartigen Dampfentwicklung führt.
Für Warmwasserbereiter u. dergl. mit insbesondere einstellbarer Temperatur ist daher zu empfehlen, einen Sicherheitsthermostaten als Trockengehschutz zusätzlich vorzusehen, der bei Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur, z.B. der oberen Grenze des Regelbereiches des einstellbaren Thermostaten, das Gerät außer Funktion setzt.
Ein ähnliches Problem stellt sich auch für Heizlüfter, die bei Ausfall der Luftzirkulation, z.B. weil sie mit einem Tuch oder dergleichen bedeckt worden sind, eine potentielle Brandquelle bilden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen solchen, insbesondere zusätzlich vorzusehenden Sicherheitsthermostaten einen Aufbau anzugeben, der technisch wenig aufwendig ist, andererseits aber hohe Sicherheit für tatsächliches Abschalten aufweist und insbesondere nach erfolgtem einmaligen Abschalten das Wiederinbetriebgehen bzw. Wiederinbetriebsetzen des Gerätes nur unter Durchführung einer bestimmten Maßnahme zuläßt, wobei diese Maßnahme in einfacher Weise durchführbar sein muß.
Diese Aufgabe wird für einen Sicherheitsthermostat für Heizer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den Mitteln des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird ein an sich bekanntes keramisches Kaltleiterelement in aufgabenspezifischer Anpassung verwendet, wie es in seiner Art für elektrische Motore zur Strombegrenzung bei zu starker Belastung oder Blockierung des Motors eingesetzt wird. Das Ealtleiterelement wird erfindungsgemäß als Sicherheitsthermostat in Reihe mit dem Heizer des Gerätes geschaltet. Die Funktion dieses Kaltleiterelementes als Thermostat ist diejenige, daß mit Anstieg der Temperatur des Kaltleiterelementes - bei der Erfindung jedoch konstant bleibendem Widerstand bzw. konstanter Stromaufnahme des Heizers - sein elektrischer Widerstand um mehrere Größenordnungen ansteigt. Der durch Heizer und Kaltleiter fließende elektrische Strom wird auf einen solchen Wert herabgesetzt, bei dem der Heizer des Heizgerätes keine nennenswerte elektrische Leistung mehr abgibt. Das Kaltleiterelement ist in dem Gerät, z.B. Warmwasserbereiter, an einer solchen - vom Heizer entfernten - Stelle eingebaut, an der sich bei zunehmender Erhitzung, d.h. bei Trockengehen des Gerätes, ein Absenken des Wasserspiegels im Gerät zuerst bemerkbar macht. Dieses Ealtleiterelement ist z.3. im Kopf des Behälters angeordnet.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist diejenige, bei der bei wiederaufgefülltem Warmwasserbereiter die normale Heizfunktion von allein wieder einsetzt, d.h.
auf Grund der spezifischen Dimensionierung des Kaltleiterelementes kann die vorherige Funktion des Heizers von allein (bei unverändert anliegender Betriebsspannung) wieder einsetzen.
Ein zusätzlicher Gedanke der Erfindung ist, das Kaltleiterelement andererseits so zu dimensionieren, daß es nach erfolgtem Ansprechen seine Funktion der Abregelung des vorangehend fließenden Betriebs-Heizstromes weiter beibehält, d.h. dauernd den nunmehr durch den Heizer fließenden elektrischen Strom auf einem abgeregelten niedrigen Wert hält. Bei diesem niedrigen Reststrom erfolgt sogar eine Abkühlung des Gerätes. Bei an sich bekannten Sicherheitsthermostaten kann dies zwar auch vorgesehen sein, Jedoch müssen diese Thermostaten dann solche galvanischen Kontakte haben, die gesperrt werden müssen. Diese Kontakte und Sperren sollen aber aufgabengemäß bei dem Sicherheitsthermostaten der Erfin- dung vermieden sein.
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist durch die Bemessung des Kaltleiterelementes erreicht, daß dieses mit dem abgeregelten Strom eine solche Eigenerwärmung erfährt, daß die im Kaltleiterelement erzeugte Joule'sche Wärme das Kaltleiterelement auf im wesentlichen demjenigen Zustand hält, der zum Zeitpunkt der Auslösung der Sicherheitsfunktion vorlag. Das Kaltleiterelement hält sich somit dann selbst auf einer Temperatur, die dem Abschaltzustand entspricht.
In ganz einfacher Weise kann ein Gerät mit erfindungsgemäßem Sicherheitsthermostaten dieser Ausführung wieder in Betrieb genommen werden, nämlich indem wenigstens kurzzeitig die angelegte elektrische Spannung unterbrochen wird, womit eine Abkühlung des bis dahin noch sich selbst aufheizenden Kaltleiterelementes einsetzt. Eine Zeit von z.B. 0,5 bis 2 min reicht aus, um das Kaltleiterelement soweit abkühlen zu lassen, daß es wieder einen Widerstandswert annimmt, der dem Ausgangszustand entspricht und der bei Wiedereinschalten den ursprünglichen Betriebs-Heizstrom für den Heizer des Gerätes fließen läßt. Es besteht mit der Erfindung somit Gelegenheit, das nach Ansprechen des Sicherheitsthermostaten zunächst für unbegrenzte Zeit praktisch außer Betrieb gesetzte Gerät vor Wiederinbetriebnahme (durch erneutes Anlegen der Betriebsspannung) erst einmal auf Fehler hinzu überprüfen.
Das erfindungsgemäße Arbeiten des Trockengehschutzes bzw. Uberhitzungsschutzes nach der Lehre der vorliegenden Erfindung beruht auch darauf, daß ein direkter oder unmittelbarer Wärmekontakt zwischen dem erfindungsgemäß vorgesehenen und erfindungsgemäß bemessenen Kaltleiterelement und dem eigentlichen Heizer des Heizgerätes wenigstens soweit vermieden ist, daß das Kaltleiter- element praktisch ausschließlich auf seine durch Stromdurchfluß sich ergebende Eigenerwärmung und auf seine jeweilige Möglichkeit, diese seibsterzeugte Wärmemenge abzuführen, anspricht. Erhebliche Veränderung der Abfuhr der Eigenerwärmung des Kaltleiterelementes liegt z.B. dann vor, wenn das zuvor noch im Wasser (des Warmwasserbereiters) oder im Strom der bewegten Luft (im Heizlüfter vor dem Heizer desselben) befindliche erfindungsgemäß vorgesehene und bemessene Kaltleiterelement sich (wegen Absenken des Wasserspiegels oder Aussetzen der Luftströmung) nicht mehr durch das Wasser bzw. die strömende Luft gekühlt wird. Dabei ist es relativ zweitrangig, ob beispielsweise das Wasser bis zum Eintreten dieses Zustandes auf mehr oder weniger hohe Temperatur aufgeheizt war. Die Erfindung ist in einem Warmwasserbereiter nicht nur beim Auskochen, sondern außerdem auch für den Fall wirksam, daß z.B. bei Installationsmaßnahmen der Warmwasserbereiter geleert worden ist, Jedoch vergessen worden ist, die im Regelfall über ferngesteuerte Rundsteueranlage ein- und ausgeschaltete Heizung des Warmwasserbereiters absuklemmen (die ilnn abends automatisch wieder eingeschaltet wird, unabhängig vom Wasserstand im Gerät).
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den beigefügten Figuren hervor.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das sowohl zur Erläuterung als auch zur praktischen Verwendung zur erfindungsgemäß wichtigen Bemessung des in Reihe mit dem Heizer zu schaltenden Kaltleiterelementes dient.
Fig.2 zeigt eine Kaltleiter-Kennlinie.
Fig.3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erftndungsgemäß ausgerüsteten Warmwasserbereiters.
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgerüsteten Heizlüfters.
Fig.1 zeigt in doppellogarithmischem Maßstab zu der angegebenen Schaltung mit dem Kaltleiterelement 2 und dem Heizer 3 des Gerätes das der Bemessung dienende Diagramm, und zwar mit der am Kaltleiterelement 2 anliegenden Spannung UFrguf der Abszisse und auf dem für Kaltleiterelement 2 und Heizer 3 fließenden Strom I als Ordinate. Es ist hier der Fall einer Netzspannung 220 Volt vorgesehen.
Für andere Betriebsspannungen ergeben sich lediglich ähnlich transformierte Diagramme. Zur Erläuterung des Widerstandsverhaltens eines Kaltleiterelementes zeigt die Fig.2 auf der Ordinate den spezifischen Widerstand y eines Kaltleitermaterials, aufgetragen über der Temperatur als Abszisse. Der temperaturabhängig niedrigste spezifische Widerstand liegt bei einem Temperaturwert nahe der Curie-Temperatur T C vor. Unterhalb dieses Temperaturwertes liegt, wie ersichtlich, praktisch konstanter spezifischer Widerstand vor, während von der Curie-Temperatur ab zu höheren Temperaturen hin exponentieller Anstieg des spezifischen Widerstandes vorliegt. Solange der durch das Kaltleiterelement 2 hindurch fließende elektrische Strom und die Wärmeableitung aus dem Kaltleiterelement (an die Umgebung) derart sind, daß im Kaltleiterelement die Curie-Temperatur TC nicht überschritten wird, hat das Kaltleiterelement 2 den relativ niedrigen elektrischen Widerstand und stellt einen nur geringfügigen Vorwiderstand für den eigentlichen Heizer 3 dar.
In dem Diagramm der Fig.1 entspricht dem Widerstandsbereich bis zur Curie-Temperatur TC der mit 1 bezeichnete Kurvenanteil, der von einem nicht weiter wichtigen und nicht mehr definierten U/I-Anfangswert 11 bis zu jeweils den hervorgehobenen Punkten 12 bis 16 reicht, wobei diese Punkte bereits auf Abzweigungen aus dem Kurvenanteil 1 liegen. Bei den U/I-Werten der Punkte 12 bis 16 ist die Differenz der im Kaltleiterelement 2 erzeugten elektrischen Wårmikistung und der von diesem gleichzeitig durch Wärmeleitung an die Umgebung abgeführten Wärmeleistung derart groß, daß das Kaltleiterelement 2 sich bis auf die Curie-Temperatur TC, d.h. bis zu dem Zustand aufgeheizt hat, von dem ab bei noch größer werdender Differenz = (erzeugte Wärmeleistung - abgeführter Wärmeleistung) der spezifische Widerstand des Ealtleitermaterials und damit der Widerstand des Kaltleiterelementes 2 stark anzusteigen beginnt, und schließlich hohe Widerstandswerte erreicht. Diese Punkte 12 bis 16 können entweder experimentell oder auch rechnerisch ermittelt werden, nämlich unter Zugrundelegung der bei den gegebenen Strom- und Spannungswerten im Element 2 erzeugten Joule'schen Wärme und der aus dem Wärmewiderstand 4 sich für das Plättchen oder die Scheibe des Kaltleiterelements 2 ergebenden Wärmeableitung an das jeweils umgebende Medium. Für den Punkt 12 ist das umgebende Medium (kaltes) Wasser mit 20°C. Für den Punkt 13 ist dies (bereits) auf 900C aufgeheiztes Wasser, wobei für beide Fälle das zugrunde gelegte Kaltleiterelement 2 eine Curie-Temperatur TC von 125 0C hat. Die Punkte 15 und 16 gelten ebenfalls für Wasser von 200C bzw. 900C, jedoch für ein Kaltleiterelement mit TC = 2200C. Der Punkt 14 gilt schließlich für ein Kaltleiterelement 2 in Luft, wobei die Werte für TC = 12OOC und TC = 2200C in der Darstellung praktisch zusammenfallen.
Mit 10 ist die Arbeitsgerade der Serienschaltung von Kaltleiterelement 2 und Heizer 3 wiedergegeben. In der doppellogarithmischen Darstellung ist diese eine wie angegebene, zu einer +450-Winkelhalbierenden 10' (praktisch) spiegelsymmetrische Kurve. Diese Kurve ergibt sich aus der Gleichung 220 Volt -U log Volt log , (1) RH worin RH der Betriebswiderstand des Heizers ist und UpTc der temperaturabhängige Spannungsab* X Kaltleiterelement 2 ist. Die im Diagramm der Fig.1 angegebene Kurve 10 bezieht sich auf ein galtleitermaterial mit bevorzugtem spezifischen elektrischen Widerstand von 30 Ohm-cm.
Die Arbeitskennlinie 10 (in linear-linearer Darstellung eine Gerade) interessiert zwischen den beiden Punkten 21 und 22, nämlich zwischen ihrem Schnittpunkt 21 mit dem Kurvenanteil 1 des Kaltleiterelementes 2 und ihrem Schnittpunkt 22 mit einer noch näher zu beschreibenden Geraden 4. Für Spannungen UPTC kleiner als es dem Punkt 21 entspricht, geht die Kennlinie 10 asymptotisch in den Wert Io über, der sich bei einem elektrischen Widerstand Rpn O, d.h. bei kurzgeschlossenem Kaltleiterelement 2 ergeben würde. Für elektrische Ströme kleiner als es dem Punkt 22 entspricht, geht die Kennlinie 10 asymptotisch in den Wert der angelegten Spannung 220 Volt über, entsprechend dem Fall, daß das Kaltleiterelement 2 unendlichen Widerstand erreichen würde.
Bei Betrieb nach der Erfindung stellt sich zunächst der Arbeitspunkt 21 ein, bei dem beim dargestellten Beispiel etwa 10 Volt am Kaltleiterelement 2 abfallen, wohingegen die restlichen 210 Volt am Heizer 3 liegen.
Wie vorgesehen, ist der Heizer 3 das entscheidende Heizelement. Solange das Kaltleiterelement 2 im Wasser des Gerätes eingetaucht ist, bleibt dieser Betriebszustand entsprechend Punkt 21 erhalten.
Wichtig für die erfindungsgemäße Bemessung ist, daß sich für das Kaltleiterelement 2 die Punkte 12 und 13 bzw. 15 und 16 für Gleichgewicht von im Kaltleiterelement 2 erzeugter und von diesem abgegebener Wärme bei der Temperatur TC des Kaltleiterelementes 2 oberhalb der Kennlinie 10 befinden und somit im regulären Betrieb die Temperatur TC vom taltleiterelement 2 niemals erreicht werden kann. Dabei ist vorsorglich berücksichtigt, daß die Werte für die Punkte 12, 13, 15, 16 und vor allem für den nächstliegenden Punkt 13 noch soviel höher liegen, daß genügend Sicherheitsabstand besteht. Bei dem für den Punkt 13 zugrunde gelegten Kaltleiterelement 2 mit TC = 1250C müßte das Wasser etwa 1000 bis 1100C heiß werden, um diesen Punkt 13 zu erreichen, so daß - wie ersichtlich - hohe Sicherheit vorliegt.
Sinkt jedoch infolge Ablassen, Verdampfung oder dergleichen der Wasserspiegel im Gerät unter das Niveau des möglichst hoch im Kessel eingebauten Kaltleiterelementes 2, so gelangt dieses in Luft oder Dampf und hat in diesem Medium eine erheblich geringere Wärmeübergangszahl 0< Dann liegt sofort eine große Differenz zwischen der im Kaltleiterelement 2 erzeugten Joule'schen Wärme und der möglichen Wärmeableitung vor, wie sie in Punkt 14 für in Luft befindliches Kaltleiterelement 2 gilt. Sofort wird die Schaltung instabil und es erfolgt ein uebergang vom Punkt 21 in den dem Punkt 22 entsprechenden Betriebszustand. Dabei entspricht die Gerade 4 der bekannten Leistungshyperbel, auf der die zwischen 14 bzw. 21 und 22 gelegenen Punkte instabile Zustände sind.
Im Punkt 22 ist ein stabiler Zustand erreicht, bei dem praktisch die gesamte anliegende Netzspannung 220 Volt am Kaltleiterelement 2 abfällt und im Heizer 3 nur noch geringfügig Wärme erzeugt wird. Im Zustand 22 ist das Kaltleiterelement 2 auf eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur TC aufgeheizt, hat dann entsprechend hohen elektrischen Widerstand und die im Kaltleiterelement 2 erzeugte Joule'sche Wärme ist wieder im Gleichgewicht mit der bei dieser erhöhten Temperatur Jetzt åedoch an Luft aus dem Kaltleiterelement 2 gleichzeitig abgeleiteten Wärmemenge. Dieser Zustand kann prinzipiell beliebig lange gefahrlos beibehalten werden. In diesem Zusammenhang ist jedoch wesentlich, daß das Kaltleiterelement 2 eine Dicke (Abstand der gegenüberliegenden Elektroden voneinander) von wenigstens 1,5 mm beträgt, damit genügend hohe Dauersicherheit gegen Spannungsdurchbruch besteht. In diesem Zusammenhang sei auch auf die obere Grenze mit etwa 5 mm für die Dicke des Kaltleiterelementes 2 hingewiesen. Wesentlich dickere Kaltleiter-Plättchen unterliegen der Gefahr, bei stärkerer Erhitzung, wie sie beim Erreichen des Punktes 22 auftritt, infolge innerer Inhomogenitäten und thermischer Spannungen zu zerplatzen. Die flächenmäßige Größe des Kaltleiter-Plättchens ist dagegen diesbezüglich unkritisch.
Je größer die Fläche gewählt wird, z.B. 2 bis 5 cm2, umso spezifisch höherohmiges Kaltleitermaterial kann verwendet werden, und umso höher ist die Leistung der vom Kaltleiterelement 2 abführbaren Wärmeleistung.
Wird nun das Gerät wieder mit Wasser gefüllt (hat sich z.B. der erzeugte Dampf wieder kondensiert), gelangt das Kaltleiterelement 2 wieder in Wasser. Es können nun verschiedene Zustände eintreten, je nachdem ob das Kaltleiterelement 2 eine Curie-Temperatur von beispielsweise 1200C oder 2200C hat. Im Falle TC = 1200C wird angenähert der Zustand des Punktes 23 eingenommen, nämlich der Schnittpunkt zwischen der Leistungshyperbel 2 für 200C kaltes Wasser. Wie ersichtlich, kann der Strom I um beispielsweise eine Größenordnung ansteigen, jedoch ist die am Heizer 3 abfallende Spannung UH =: 220 -UpTc noch relativ klein, so daß nur eine geringere Erwärmung des Wassers durch den Heizer 3 auftreten wird. Entsprechend dieser Temperaturerhöhung wird sich ein Gleichgewichtazustand auf der Arbeitskennlinie 10 zwischen den Punkten 23 und 24 einstellen. Das Gerät ist dann nicht wieder in seinen ursprünglichen Betriebs zustand zurückgelangt. Es ist damit der Hinweis gegeben, das Gerät auf irgendeinen möglichen Fehler zu untersuchen.
In den ursprünglichen Betriebszustand kann dieses Gerät, und zwar ohne Eingriff, zurückgeführt werden, indem die angelegte elektrische Spannung 220 Volt unterbrochen wird, d.h. das Gerät zeitweise vom Netz abgeklemmt wird.
Nach erfolgter Abkühlung des bis dahin ineinem Zustand zwischen den Punkten 23 und 24 befindlichen Kaltleiterelementes 2 wird bei Wiedereinschalten der Zustand des Punktes 21 automatisch eingenommen. Sollte das Abschalten und Wiedereinschalten jedoch aus dem Zustand des Punktes 22 erfolgen, nämlich ohne daß das Kaltleiterelement 2 wieder in Wasser eingetaucht ist, würde der Zustand 21 höchstens ganz kurzfristig erreicht werden und sofort der Zustand 22 wieder eingenommen werden, so daß auch diesbezüglich höchste Sicherheit gegen noch so falsche Bedienung gegeben ist.
Wie aus dem vorangehenden ersichtlich, spielt es für die Funktion der Erfindung keine Rolle, ob das Gerät mit einer thermostatisierten Temperatureinstellung versehen ist, d.h. im Regelfall nur auf einer Temperatur von z.B.
400, 55° oder dergleichen aufgeheizt wird.
Die oben im Zusammenhang mit der allgemeinen Beschreibung der Erfindung erwähnte erste Ausführungsform, bei der sich das Gerät nach Wiederauffüllen wieder selbst in Betrieb setzt, ist in der Weise zu realisieren, daß ein Kaltleiterelement 2 mit einer Curie-Temperatur 2200 C verwendet wird. Die einem solchen Kaltleiterelement 2 entsprechenden Leistungshyperbeln und s liegen, wie ersichtlich, oberhalb der Kennlinie 10. Bei Wiedereintauchen des Kaltleiterelementes 2 in das Wasser, d.h.
bei wieder starker Wärmeableitung aus dem Kaltleiterelement 2, geht der Zustand aus dem Punkt 22 in den Punkt 21 zurück, weil kein Schnittpunkt zwischen den Leistungshyperbeln 5, s und der Kennlinie 10 vorliegt, die einen neuen Betriebszustand (vergleichsweise zu den vorangehend beschriebenen Punkten 23 und 24) ergeben könnten.
Es ist bezweifelt worden, daß sich die oben beschriebenen Bedingungen für ein einwandfreies Funktionieren eines erfindungsgemäß bemessenen Kaltleiterelementes 2 als Sicherheitsthermostat in der Praxis und insbesondere unter wirtschaftlich bzw. technologisch vertretbarem Aufwand und vor allem auch mit der nötigen Sicherheitsreserve realisieren lassen. Dies u.a. auch deshalb, weil einzelne der oben beschriebenen Forderungen in einem Gegensatz zueinanderstehen. Das nachfolgende Beispiel zeigt jedoch, daß diese Zweifel unberechtigt sind, und zwar dann, wenn die oben dargelegten Überlegungen genugend berücksichtigt sind.
Dem Kennlinienfeld der Fig. 1 und den dazu angegebenen Begriffen liegen die folgenden Gleichungen zugrunde, und als Muster wird ein Bemessungsbeispiel für 1000 Watt Heizleistung, d.h. für 4,5 Ampere Betriebsstrom bei 220 Volt Netzspannung, angegeben.
Der Wärme-(Ableit)Widerstand Q eines Ealtleiter-Plättchens 2 beträgt worin d die Dicke und £ A die Gesamtoberfläche des Kaltleiterplättchens 2, und # = 0,02 bis 0,03 Watt/cm°E für das Kaltleitermaterial des Plättchens 2 sind. Die übertragbare Wärmeleistung eines solchen Laltleiterplättchens 2 beträgt worin TC die Curie-Temperatur des Kaltleitermaterials, TA die Maximaltemperatur des durch den Sicherheitsthermostaten zu sichernden Gerätes (bei einem Heißwasserbereiter z.B. 900C) und #M der Wärme-(tfbergangs)Widerstand vom Kaltleiter-Plättchen 2 zum umgebenden Medium (Wasser oder Luft) sind. Es gilt des weiteren: worin αM die Wårmeüberfangszahl ist, die für Wasser 0,7, für ruhende Luft 5.10 und für strömende Luft 60-10 4 [Watt/cm².°K ] beträgt.
Ausgehend von der zugrunde gelegten Heizleistung 1000 Watt und unter Berücksichtigung der gemäß einem Merkmal der Erfindung angegebenen Grenzen 0,1 bis 0,02 für das Verhältnis der im Betrieb am Kaltleiterelement 2 auftretenden elektrischen Wärmeleistung zur vorgesehenen Wärmeleistung des drahtgewickelten Heizers 3, erhält man für einen Verhältniswert von z.B. 0,05 = 5% bei RH = 46 Ohm des Heizers 3 etwa 2,4 Ohm Kaltwiderstand für das Kaltleiterelement 2 bzw. eine betriebs- mäßig andauernde Wärmeerzeugung von rund 50 Watt im Kaltleiterelement 2. Diese 50 Watt müssen wie z.B. Diagramm der Fig.1 erläutert kleiner sein als der Maximalwert derjenigen Wärmeleistung, die das Kaltleiterelement 2 bei ungünstigsten, jedoch regulären Betriebsbedingungen abzugeben vermag. FUr diesen durch den Punkt 13 charakterisierten ungünstigsten Fall ergeben sich aus der Gleichung für Ptherm = 70 Watt (bei 900 Wassertemperatur) bei Abmessungen des Kaltleiter-Plättchens 2 mit d = 0,2cm und einer Querschnittsfläche A = Länge x Breite-= 2,4cm2.
Dieser Wert für Ptherm. ist größer als die 50 Watt, die im Betriebsfall im Punkt 21 des Diagrammes nach Fig.1 erzeugt werden. Solange dieses derart bemessene Plättchen des Kaltleiterelementes 2 im Wasser eingetaucht ist, bleibt der Betriebs zustand des Punktes 21 stabil erhalten. Kommt das Kaltleiterelement 2 jedoch aus dem Wasser heraus, so gilt der Wert Y = 5Y10 4 für ruhende Luft, d.h. dieser Wert wird dort rund 2 000 x größer. Es stellt sich jetzt der Gleichgewichtszustand des Punktes 22 ein, bei dem jetzt die volle Netzspannung am Kaltleiterelement 2 anliegt. Bei einem Wert y = 30 Ohmcm für das Kaltleitermaterial genügt ein Kaltleiterelement 2 mit der Dicke 0,2 cm und der Querschnittsfläche A = 2,4 cm2.
Für einen Heizlüfter ergibt sich für « in bewegter Luft: Nin ruhender Luft ein Verhältnis von 12:1. Dieses Verhältnis genügt für einen wie erfindungsgemäßen Sicherheitsthermostaten, wenn man für das Kaltleiterelement 2 eine (zum vorangehenden Beispiel) entsprechend größere Oberfläche und zweckmäßigerweise höhere Curie-Temperatur größer als 2000C, vorsieht.
Für das obige Beispiel des Punktes 21 bei TC = 300 0C ergibt sich eine notwendige GesamtoberflächeA von ca. 20 cm2. Diese rund 10-fach größere Gesamtoberfläche ermöglicht die Verwendung spezifisch höherohmigen Kaltleitermaterials, so daß für gegebenen Widerstand RpTC des Kaltleiterelementes 2 die Dicke d nicht oder nicht wesentlich vergrößert werden muß.
Vorteilhafterweise kann die größere Gesamtoberfläche auch durch ein vielfach durchbrochenes Ealtleiter-Plättchen realisiert sein, wie es aus der DE-OS 24 10 999 und DE-OS 28 09 449 bekannt ist.
Nachfolgend werden noch Ausführungsformen für den Einbau eines wie erfindungsgemäß bemessenen Kaltleiterelementes 2 angegeben.
Fig.3 zeigt einen insgesamt mit 31 bezeichneten Warmwasserbereiter in der spezifischen Bauform eines Drucklos-Gerätes. Mit 32 ist der Wasserbehälter-und mit 33 und 34 sind Zulauf- und Ablaufrohre bezeichnet. Der Heizer 3 befindet sich im unteren Teil des Behälters 32.
Das Kaltleiterelement 2 ist jedoch möglichst weit oben im Behälter 32 angebracht, nämlich dort, wo es bei einem bereits geringen Absinken des Wasserspiegels 35 sich nicht mehr im Wasser befindet. Im normalen Betriebszustand ist natürlich der Behälter 32 bis an das Ablaufrohr 34, d.h. bis über das Kaltleiterelement 2 gefüllt. Mit 36 ist ein vorzugsweise einstellbarer Thermostat des Gerätes 31 bezeichnet. Bei- Versagen dieses Thermostates, z.B. bei Verschweißung seiner Schalterkontakte oder bei Klemmen oder Fehljustierung seines Schnappmechanismus kann der Fall eintreten, daß dieser Thermostat bei Erreichen der eingestellten Temperatur von beispielsweise 600 nicht abschaltet und daß das im Behälter 32 befindliche Wasser durch die Leitung 34 ausgekocht wird, womit dann ein wie mit dem Wasserspiegel 35 angedeuteter Gefahrenzustand erreicht wird.
Aus der Fig.3 geht die Schaltung des Heizers 3 des Thermostaten 36 und des Kaltleiterelementes 2 zueinander eindeutig hervor.
Wie oben beschrieben, geht bei wie dargestelltem Absinken des Wasserspiegels der Betrieb aus dem Zustand 21 in den Zustand 22 über, in dem nur noch sehr geringe Wärmeleistung vom Heizer 3 erzeugt wird, und keine weitere Gefahr besteht. Bei Wiederauffüllen des Behälters 32, d.h. bei Wiedereintauchen des Kaltleiterelementes 2 in das Wasser wird entweder ein Zustand zwischen den Punkten 23 oder 24 erreicht, in dem das Gerät weiterhin nicht den regulären Betriebs zustand wieder erreicht oder es kann bei Wahl eines Kaltleiterelementes 2 mit TC = 2200C (statt 1200C) der Betriebszustand 21 wieder erreicht werden.
Fig.4 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung für einen Heizlüfter 41. Mit 42 ist das übliche Gebläse bezeichnet, das einen Luftstrom in Richtung 43 erzeugt.
Im Heizer 3 wird diese strömende Luft erwärmt. Das Kaltleiterelement 2 befindet sich vorzugsweise gegen Strahlungswärme des Heizers 3 im Luftstrom 43, ehe dieser durch den Heizer 3 hindurchtritt, d.h. im kalten Luftstrom. Wird der Luftstrom unterbrochen, z.B. weil die Ansaugseite 44 oder die Auslaßseite 35 versperrt ist oder weil das Gebläse 42 aussetzt, fällt die Strömungskühlung des Kaltleiterelementes 2 aus, und es tritt physikalisch der Fall ein, wie er oben für den Ubertritt des Kaltleitereleinentes 2 aus der Flüssigkeit in (über dem Wasserspiegel befindliche) Luft ausführlich beschrieben ist. Das Kaltleiterelement 2 kann in ruhende Luft bei weitem nicht mehr diejenige Wärmemenge Ptherm.
abgeben, die es im Luftstrom abgeben kann. Auch hier läßt bereits die Eigenerwärmung des Kaltleiterelementes 2 dieses aus dem Zustand 21 in den Zustand 22 übergehen, in dem die Heizleistung des Heizers 3 auf ein Minimum reduziert ist und gehalten wird. Für diesen Vorgang bedarf es wohlbemerkt nicht der Erhitzung des Ealtleiterelementes 2 durch den Heizer 3, d.h. die Sicherheitsfunktion des Kaltleiterelementes 2 ist von einem solchen Wärmekontakt und vom nachfolgenden thermischen Zustand des Heizers 3 unabhängig.
Im Gegensatz zu einem (nur) mit einem Kaltleiterelement beheizten Warmwasserbereiter oder Heizlüfter (obige Offenlegungsschriften) ist die für einen Sicherheitsthermostaten 2 nach der Erfindung erforderliche Menge an Kaltleitermaterial um etwa eine Größenordnung geringer. Bei einem Heizlüfter (Fig.4) kann außerdem weiterhin ein Abgriff für den Ventilatormotor 42 benutzt werden.
4 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche: 1. Sicherheitsthermostat für Heizer, geeignet für Warmwasserbereiter, Heizlüfter und dergleichen mit vorzugsweise einstellbar thermostatisch geregelter Betriebstemperatur, wobei der mit dem drahtgewickelten Heizer in Reihe geschaltete Sicherheitsthermostat als Trockengehschutz bzw. Uberhitzungsschutz vorgesehen ist, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß dieses Element ein keramisches PTC-Ealtleiterelement (2) ist, das Plättchen- oder Scheibenform hat, und für das die folgenden Bedingungen gelten: 1. Dicke d = 1, 5 bis 5 mm, 2. Widerstand RpTC = (0,1 bis 0,02).RH, worin PTC der Widerstand des Kaltleiterelementes (2) und RH der Widerstand des Heizers (3) sind, 3. spezifischer Widerstand des Kaltleitermaterials des Kaltleiterelementes (2) g = 15 bis 1 000 Ohmcm und 4. Curie-Temperatur TC dieses Kaltleitermaterials zwischen 100° und 350°C.
2. Sicherheitsthermostat für Heizer nach Anspruch 1 für einen Warmwasserbereiter mit dauernder Abschaltung (Kurven 2 und 3 in Fig.1), g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für das Kaltleitermaterial der spezifische Widerstand # = 15 bis 100 Ohmeem und die Curie-Temperatur TC 100 bis 1800C bemessen ist.
3. Sicherheitathermostat für Heizer nach Anspruch 1 für Warmwasserbereiter mit selbsttätiger Wiedereinschaltung (Kurve 5 und 6 in Fig.1), g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für das Kaltleitermaterial der spezifische Widerstand p= 15 bis 100 Ohm-cm und die Curie-Temperatur TC 150 bis 3500C bemessen ist.
4. Sicherheitsthermostat für Heizer nach Anspruch 1'für einen Heizlüfter, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für das Kaltleitermaterial der spezifische Widerstand 51 = 15 bis 1000 Ohm.cm und die Curie-Temperatur TC 200 bis 3500C bemessen ist.