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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Verbesserungen an elektrisch geheizten Kochgefäßen, wie
z. B. elektrischen Kochtöpfen
und Heißwasserkannen,
und spezieller betrifft sie die Steuerung derartiger Geräte.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrische
Kochtöpfe
und Heißwasserkannen
sind üblicherweise
mit einer Elementschutzsteuerung, die so ausgebildet ist, dass sie
die Spannungsversorgung für
das elektrische Heizelement des Geräts in einem erfassten Übertemperaturzustand
abschaltet, der sich z. B. dann ergibt, wenn das Gerät leer eingeschaltet
wird, und einer Dampfsteuerung versehen, um die Energiezufuhr für das Heizelement
zu verringern oder abzuschalten, wenn das erwärmte Wasser siedet. Derartige
Elementschutzsteuerungen und Dampfsensorsteuerungen enthalten im
Allgemeinen einen Wärmesensor, üblicherweise
ein Bimetallelement, und es ist nicht unüblich, dass Elementschutzsteuerungen
ferner eine Art Sekundär-
oder Zusatzschutz aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er dann
arbeitet, wenn die Hauptsteuerung ausfällt, was jedoch unwahrscheinlich
ist. Eine beispielhafte Elementschutzsteuerung ist die von Otter
Controls Limited hergestellte Steuerung X1, wie sie im Wesentlichen
in GB-A-2 194 099 unter spezieller Bezugnahme auf die dortigen 3A, 3B und 3C beschrieben ist, und eine beispielhafte
Dampfsteuerung ist die von Otter Controls Limited hergestellte Steuerung
J1, wie sie im Wesentlichen in GB-A-2 212 664 unter spezieller Bezugnahme
auf die dortigen 3A bis 3M beschrieben ist.
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Während üblicherweise
Wassersiedegeräte eine
Elementschutzsteuerung und eine Dampfsensorsteuerung aufweisen,
die voneinander getrennt sind, existierten Vorschläge, beide
Funktionen mittels einer einzelnen Steuerung auszuüben. Eine
einzelne elektronische Sensorsteuerung ist in GB-A-2 228 638 beschrieben,
und in GB-A-1 143 834 ist ein Vorschlag beschrieben, in der Wasserkammer
eines Wassersiedegefäßes eine
Umfassung einzubauen, die so ausgebildet ist, dass sie mit Wasser
gefüllt
wird, wenn die Kammer gefüllt wird,
und sie durch das Heizelement des Geräts erwärmt wird, so dass dann, wenn
das Wasser siedet, das Wasser in der Kammer durch Dampf aus der
Umfassung ausgetrieben wird, um dadurch innerhalb der Umfassung
eine Trockensiedesituation zu simulieren, die durch einen Bimetall-
oder einen anderen Wärmesensor
erfasst werden kann.
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Trotz
der offensichtlichen Einfachheit und des vielversprechenden Vorteils
einer einzelnen Sensorsteuerung, die sowohl für Übertemperaturschutz als auch
Siedeerfassung sorgt, wurde die Anordnung gemäß GB-A-1 143 834 insoweit es
uns bekannt ist, durch die Inhaber von GB-A-1 143 834 nie hergestellt.
Von uns ausgeführte
Versuche zeigten, dass es mit einem Heizelement, wie es in GB-A-1
143 834 beschrieben ist, unmöglich
ist, eine zufriedenstellende Einzelsensor-Steueranordnung zu erzielen.
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Zwei
verschiedene Lösungen
für das
Problem, die Umfassungsidee gemäß GB-A-1 143 834 zum Arbeiten
zu bringen, sind in WO-A-9318631 und WO-A-90318632 beschrieben.
Im ersteren dieser Dokumente ist eine Anordnung beschrieben, bei
der ein Mantelheizerelement aus rostfreiem Stahl über einen
Hitzerückführabschnitt
verfügt,
der an eine Kopfplatte aus rostfreiem Stahl angeschweißt ist und um
den herum eine Umfassung vorhanden ist, wobei die Befestigung des
Hitzerückführabschnitts
des Heizelements zur Kopfplatte über
eine stark lokalisierte Punktschweißung erfolgt. Beim letzteren
Dokument wird erneut ein Mantelheizerelement verwendet, und die
Umfassung ist eine Konstruktion, die einen Teil des Heizelements
umgibt und sich im Wesentlichen koaxial zu diesem erstreckt.
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Noch
eine andere Lösung
ist in GB-A-2 283 155 beschrieben, die ein sogenanntes planares
Dickfilm-Heizelement mit einem Substrat verwendet, auf dem ein Dickfilm-Widerstandspfad
oder eine Schicht mit geeigneter Isolierung zwischen dem Widerstandspfad
oder der Schicht und dem Substrat und/oder über dem Widerstandspfad oder
länger ausgebildet
ist.
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Während es
die o. g. Lösungen
ermöglicht haben,
das Umfassungskonzept gemäß GB-A-1
143 834 zum arbeiten zu bringen, haben wir festgestellt, dass ein
Problem dahingehend verbleibt, dass die Lösungen spannungsempfindlich
sein können.
D. h., dass eine Lösung,
die im UK bei einer Nenn-Netzspannung von 240 Volt arbeitet, nicht
oder weniger effizient funktioniert, wenn sie z. B. in Spanien verwendet
wird, wo die Nenn-Netzspannung 220 Volt beträgt. Um in ganz Europa verwendbar
zu sein, muss ein Gerät
innerhalb eines Versorgungsspannungsbereichs von 210 Volt bis 250
Volt voll betriebsfähig
sein. Die Versorgungsspannung beeinflusst sowohl die Betriebstemperatur
eines unter Normalbedingungen arbeitenden Heizelements als auch
die Geschwindigkeit eines Temperaturanstiegs im Fall eines Trockensiedevorgangs.
Bei herkömmlichen Heizelement-Übertemperatur(Trockensiede)schutzsteuerungen
ist dies nicht allzu schwerwiegend, da eine niedrigere Versorgungsspannung
nicht nur bedeutet, dass das Heizelement bei niedrigerer Temperatur
betrieben wird, sondern da es auch bedeutet, dass die Geschwindigkeit
eines Temperaturanstiegs während
eines Trockensiedevorgangs stark verringert ist, wodurch die Steuerung
mehr Zeit zur Reaktion hat. Jedoch ergibt sich für eine Trockensiede- und Dampfsensorsteuerung
mit einem einzelnen Sensor zum Realisieren des Umfassungsprinzips
gemäß GB-A-1
143 834 das Ergebnis, dass eine für eine niedrigere Versorgungsspannung
konzipierte Steuerung bei höherer
Spannung vorzeitig arbeitet und dass eine für eine höhere Spannung eingestellte Steuerung
bei der niedrigeren Spannung überhaupt nicht
arbeitet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Um
die o. g. Probleme zu überwinden
oder zumindest wesentlich zu verringern ist durch die Erfindung
ein Dickfilm-Heizelement geschaffen, dessen Widerstandspfad innerhalb
eines bestimmten Teils der Oberfläche des Heizelements einen
aus einem Material mit negativem Widerstands-Temperaturkoeffizienten
(NTCR) gebildeten Abschnitt aufweist, während der Hauptteil des Pfads
aus einem Material mit positivem Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTCR)
gebildet ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die Wirkung
verschiedener Versorgungsspannungen auf die Betriebstemperatur des genannten
Pfadabschnitts mindestens teilweise kompensiert wird.
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Bei
einer Anordnung, die das Umfassungskonzept gemäß dem o. g. Dokument GB-A-1 143 834 realisiert,
versorgt die Erfindung den Heiz-Widerstandspfad eines Dickfilm-Heizelements
mit einem Abschnitt, der so konzipiert ist, dass er innerhalb der Grundfläche der
Umfassung liegt, wobei er aus einem Material mit negativem Widerstands-Temperaturkoeffizienten
(NTCR) besteht, und wobei der Hauptteil des Heizelementspfads aus
einem Material mit positivem Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTCR)
besteht. Dank dieser Anordnung fällt,
wenn das Heizelement mit einer verringerten Versorgungsspannung
betrieben wird, seine Betriebstemperatur, und es nimmt auch der
Widerstand des Hauptteils des Heizelementspfads (der viel größer als
der Widerstand des Pfadabschnitts innerhalb der Umfassung ist) ab,
so dass der Stromabfall kleiner ist, als es andernfalls der Fall
wäre, und
der Temperaturabfall ist kleiner als es dann der Fall wäre, wenn
der Pfad einen Wider stands-Temperaturkoeffizienten vom Wert null
aufweisen würde.
Bei verringerter Temperatur ist der Widerstand des Sensorpfads,
d. h. der Pfadabschnitt innerhalb der Umfassung, erhöht, jedoch ist
der Strom durch ihn hauptsächlich
durch den Widerstand des Hauptpfads bestimmt, so dass die durch
den Sensorpfad umgesetzte Leistung höher ist als es dann der Fall
wäre, wenn
er einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten vom Wert null hätte. So
sorgt die Anordnung für
eine Kompensation von Unterschieden bei der Versorgungsspannung.
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Derzeit
verfügbare
NTCR- und PTCR-Materialien, wie sie uns bekannt sind und wie sie
auf druckbaren Tasten vom Typ leitender Farbe beruhen und mindestens
ein Metallpulver und ein Glaspulver mit Dispersion in einem Trägermedium
enthalten, ermöglichen
es nicht, eine vollständige
Kompensation von Unterschieden der Versorgungsspannung zu erzielen,
jedoch sind dennoch gute Ergebnisse erzielbar. Um eine vollständige Kompensation
zu erzielen, bestünde
eine Vorgehensweise darin, für
den Hauptpfad ein Material mit unendlichem PTCR zu verwenden, was
näherungsweise
durch ein Curiepunkt-Bauteil erzielbar ist. Bei einem derartigen
Bauteil ist der Widerstands-Temperaturkoeffizient des Sensorpfads irrelevant,
da seine Leistung, und demgemäß seine Temperatur,
konstant bleiben würde.
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Die
obigen sowie andere Merkmale und Erscheinungsformen der Erfindung
sind in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt, und sie werden am besten unter Berücksichtigung der folgenden
detaillierten Beschreibung erkennbar werden, die unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung erfolgt.
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Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist eine schematische,
teilgeschnittene Ansicht einer Wassersiedekanne, bei der die Erfindung
angewandt werden kann; und
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2 veranschaulicht schematisch,
wie die Erfindung beim Heizelement der Wassersiedekanne der 1 anwendbar ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsform
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Es
wird als Erstes auf die 1 der
beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, wobei darauf hingewiesen wird, dass
diese Figur der 1 der Zeichnungen
des o. g. Dokuments GB-A-2 283 155 entspricht. Es ist dargestellt,
dass eine elektrisch betriebene Wassersiedekanne 1, die
z. B. aus geformtem Kunststoffmaterial hergestellt wurde, über Folgendes
verfügt:
einen als planares elektrisches Heizelement 2 ausgebildeten
Sockel, eine thermisch ansprechende Steuerung 3 an einer
speziellen Stelle an der Unterseite des Heizelements 2 sowie
eine Umfassung 4, die der Steuerung 3 auf der
entgegengesetzten Seite des Heizelements gegenüberliegt und in der Öffnungen 5 ausgebildet
sind.
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Das
Heizelement 2 und die Steuerung 3 können verschiedene
Formen einnehmen, wobei es diesbezüglich das wesentliche Erfordernis
ist, dass sich das thermisch ansprechende Stellglied der Steuerung 3 in
ausreichend engem Wärmekontakt
mit dem Heizelement befindet, um auf dessen Temperatur zu reagieren.
Die Steuerung 3 kann z. B. einen modifizierte Form der
o. g. Steuerung X1 sein, wie sie in GB-A-2 283 155 unter Bezugnahme
auf die dortige 2 beschrieben
ist, und ihr Bimetallstellglied kann mit der Unterseite des Heizelements 2 in
Kontakt stehen. Das Heizelement 2 kann über ein dünnes Blech aus rostfreiem Stahl
verfügen,
das die Oberseite des Elements bildet, wobei an dessen Unterseite
eine dünne
Schicht aus Glas oder einem anderen temperaturbeständigen,
elektrisch isolierenden Material vorhanden ist. Auf der Oberfläche der
Glasschicht ist das eigentliche Widerstands-Heizelement ausgebildet,
z. B. durch Aufdrucken unter Verwendung einer elektrisch leitenden
Druckpaste vom Druckfarbentyp, wobei über dem aufgedruckten Element
eine weitere dünne
Schicht aus Glas oder einem anderen temperaturbeständigen,
elektrisch isolierenden Material vorhanden ist. Die Druckpaste enthält üblicherweise Metallpulver
und Glas, die in einem Träger
dispergiert sind, und sie wird nach dem Drucken gebrannt, um die
Heizelementpfade auszubilden, wobei die Art des Metallpulvers und
seine Eigenschaften im Gemisch die elektrischen Eigenschaften des
Pfads bestimmen.
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Die
Löcher 5 in
der Umfassung 4 ermöglichen
es, dass Wasser in diese eintritt, wenn die Kanne gefüllt wird,
und sie dienen, wie oben angegeben, dazu, mittels Dampf, wie er
erzeugt wird, wenn Wasser im Gefäß 1 siedet,
Wasser aus der Umfassung auszutreiben. Ein örtlicher Siedevorgang innerhalb der
Umfassung 4, wenn das Hauptwasservolumen auf eine Temperatur
erwärmt
wird, hervorgerufen durch das Fehlen wesentlicher Konvektionsströme innerhalb
der Umfassung, führt
dazu, dass nur Dampf aus der Umfassung ausströmt und vom relativ kühleren Hauptwasservolumen
Ersatzwasser in die Umfassung einströmt. Wenn jedoch das Hauptwasservolumen
zu sieden beginnt, hört
das Einströmen von
relativ kühlem
Wasser in die Umfassung auf, und der in der Umfassung erzeugte Dampf
bewirkt schnell ein Trockensieden, was einen schnellen Anstieg der örtlichen
Temperatur des Heizelements zur Folge hat.
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Dieser
schnelle Temperaturanstieg wird durch die Steuerung 3 erfasst,
die so wirkt, dass sie die Spannungsversorgung zum Element 2 abschaltet.
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Die
Umfassung 4 kann wie bei der in WO-A-9318631 beschriebenen
Anordnung als Metallblechteil ausgebildet sein, das an der erforderlichen
Position über
der Steuerung 3 durch Punktschweißen oder Annieten oder auf
andere Weise befestigt wird. Wenn da Heizelement 2 auf
einer Metallplatte ausgebildet oder an einer solchen befestigt ist, und
wenn die Platte den Boden des Gefäßes bildet, wie bei der beschriebenen
Anordnung, könnte
die Steuerung alternativ zur Seite der Platte hin, dicht am Rand,
liegen; die Umfassung könnte
dann als integraler Teil des Gefäßformteils
ausgebildet sein, das so angeordnet sein könnte, dass es mit der Platte überlappt
und deren Fläche
entgegengesetzt zum Bimetallelement der Steuerung abdeckt, wobei
die Öffnungen
in der Umfassung durch Stufen im Unterrand derselben und durch ein
oder mehrere Löcher
in ihrer Oberseite gebildet sein könnten.
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Alternativ
könnte
die Erfindung in einem Wassersiedegefäß vom sogenannten schnurlosen Typ
verwendet werden, z. B. mit einem rotationsfreien, schnurlosen Verbindersystem
der Art, wie sie in unserer internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB
93/01814 (WO-A-9406185) beschrieben ist. Bei einer derartigen Anwendung
könnte
die Steuerung zentral unter dem Heizelement, oder zumindest zentral
in Bezug auf das Gefäß, platziert
sein, und die Umfassung könnte
ein Kunststoffformteil sein, das an den Seiten des Gefäßes gehalten
wird, und sie könnte
im Zentrum des Heizelements liegen. Eine derartige Umfassung in
Form eines Kunststoffformteils könnte
einstückig
mit dem Gefäß geformt
werden, oder sie könnte
alternativ getrennt geformt werden, jedoch an den Gefäßwänden befestigt
und gehalten werden. Angesichts der engen Nachbarschaft der Umfassung
zum Heizelement kann es bevorzugt sein, wenn eine Umfassung aus
einem Kunststoffformteil zu verwenden ist, die Umfassung aus einem Material
mit hervorragender Wärmebeständigkeit herzustellen;
ein geeignetes Material könnte
z. B. Polyphenylensulfid, z. B. RytonTM von
Phillips Petroleum sein, das entflammungsverzögernd ist und einen Schmelzpunkt über 300°C aufweist.
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Die 2 ist eine schematische
Darstellung, die das Heizelement 2 der Wassersiedekanne
der 1 zeigt, wobei die
Heizelementpfade im größten Teil
der Deutlichkeit halber weggelassen sind. D. h. jedoch, dass ein
Vergleich der hier vorliegenden 2 mit
der 3B der Zeichnungen des o. g. Dokuments
GB-A-2 283 155 durch Ähnlichkeit
ergibt, dass das planare Heizelement 2 über Folgendes verfügt: ein
Substrat oder eine Sockelplatte 31 aus rostfreiem Stahl,
auf der eine elektrisch isolierende erste Schicht aus Glas ausgebildet
ist, wobei auf der Glasschicht ein Heizerpfad 33 aus elektrisch
leitender Druckpaste vom Druckfarbentyp ausgebildet ist, und wobei über dem
Heizerpfad 33 und der ersten Glasschicht eine elektrisch
isolierende zweite Glasschicht ausgebildet ist. In der zweiten Glasschicht
ist eine Öffnung
oder ein Fenster 35 so vorhanden, dass der Heizerpfad 33 unter
der Öffnung
freigelegt ist, und die Öffnung 35 ist
so bemessen, dass sie es ermöglicht,
dass das Bimetallstellglied der Steuerung der 2 gemäß GB-A-2
283 155 direkt auf die Temperatur des Heizerpfads 33 ansprechen
kann, wobei jedoch der Fuß des
Trägers
dieser Steuerung auf der Glasfläche
liegt, die sich außerhalb
der Öffnung
befindet und diese umgibt. In der zweiten Glasschicht sind an Stellen,
die Anschlussenden des Heizerpfads 33 entsprechen, zusätzliche Öffnungen 36 und 37 ausgebildet,
die so angeordnet sind, dass sie durch nach vorne vorstehende Teile
federnder Leiter der Steuerung 3 kontaktiert werden, wenn
diese in eine betriebsfähige
Beziehung zum Heizelement eingesetzt wird.
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Im
Betrieb des so beschriebenen planaren Heizelements mit der so beschriebenen
Elementschutzsteuerung, wie sie detaillierter in GB-A-2 283 155
beschrieben ist, gewährleistet
die Tatsache, dass das primäre
Bimetallstellglied der Steuerung in direkter Wärmeübertragungsbeziehung zum Heizerpfad
des Elements steht, eine schnelle Reaktion der Steuerung auf eine Übertemperatursituation
des Elements. Gleichzeitig ist es durch Isolieren der sekundären Schutzeinrichtung,
d. h. des kolabierbaren Trägers
der Steuerung, gegenüber
der Heizerbahn 33 gewährleistet,
dass das thermische Überschwingungen,
das normalerweise mit dem Primärbetrieb
der Steuerung einhergeht, d. h. der dynamische Temperaturanstieg,
wie er normalerweise nach einem Betreiben des Primärschutzes
im Element auftritt, nicht zur Betätigung des Sekundärschutzes
führt.
Der enge Wärmekontakt
des primären
Bimetallstellglieds mit dem Heizerpfad ermöglicht es ferner, verbesserte Primärschutz-Ansprechzeiten zu
erzielen, was das Niveau eines Überschwingens
der Temperatur zusätzlich
verringert. Diese Faktoren erleichtern die Auswahl geeigneter Materialien
für den
kolabierbaren Träger
der Steuerung.
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist der Heizelementpfad 33 mit
einem Hauptteil 50 mit positivem Widerstands-Temperaturkoeffizienten
und einem Sensorteil 60 mit negativem Widerstands-Temperaturkoeffizienten
versehen, der so geformt ist, dass er der Grundfläche der
Umfassung 4 entspricht und dasjenige Gebiet des Heizelements umgibt,
das den temperaturempfindlichen Elementen der Steuerung 3 zugeordnet
ist. Selbstverständlich ist
es zu beachten, dass die Darstellung des Heizelementspfads 33 in
der 2 nur schematisch
ist und dass der Pfad in der Praxis unterteilt und mäanderförmig sein
kann, wie es z. B. in EP-A-0787417 dargestellt ist.
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Das
folgende Beispiel veranschaulicht, wie es die Erfindung ermöglichen
kann, das Problem verschiedener Versorgungsspannungen zu überwinden oder
zumindest wesentlich zu verringern. Das Beispiel beruht auf einem
Versorgungsspannungsbereich von 200 Volt bis 240 Volt, und es ist
angenommen, dass der Widerstand des Sensorpfads innerhalb des Bereichs 60 viel
kleiner als derjenige des Hauptteils 50 des Heizelements
ist. Ferner ist angenommen, dass der Pfad zwischen 20°C und 180°C einen linearen
Widerstands-Temperaturkoeffizienten zeigt, was nicht streng gilt,
jedoch ausreichend ist, um die Wirksamkeit des Beispiels zu demonstrieren. Andere
Annahmen sind aus dem Beispiel ersichtlich.
- 1.
Es ist eine Bahnlänge
von 1500 mm mit einem Sensorteil von 30 mm angenommen. Der Widerstand
des Elements bei einer Nennbetriebstemperatur von 180°C (bei einer
angenommenen Grundtemperatur von 20°C entspricht dies einem Temperaturanstieg
von 160°C)
beträgt
28 Ohm, und demgemäß beträgt die Nennleistung
bei 240 V ungefähr
2000 W. Da ursprünglich
eine gleichmäßige Ausgangsleistung
erfordert ist, ist die Leistungsdichte bei 180°C so ausgebildet, dass sie für den Haupt-
und den Sensorpfad gleich ist. So weist der Hauptpfad einen Widerstand
von 27,4 Ohm auf, und der Sensorpfad weist 0,6 Ohm auf, was auf
ihren relativen Längen
beruht. Dies liefert an der Steuerung eine abgeführte Leistung von 41 W. Dies
ist die Leistung, die über
den Versorgungsspannungsbereich hinweg möglichst konstant gehalten werden
sollte, um für
konstante Funktion zu sorgen.
- 2. Es sei angenommen, dass der PTCR der Hauptbahn 2500 ppm oder
0,0025/°C
beträgt. Dies
ist höher
als es aktuell üblich
ist, da dies einen hohen Einschaltstromstoß im kalten Zustand ermöglichen
würde.
Jedoch könnte
das Vorliegen den NTCR-Pfadabschnitts dies in gewissem Umfang kompensieren,
und das vorliegende Element hat nur ungefähr 2000 W, oder ungefähr 8 A,
was Raum für
einen größeren PTCR
liefert. Für
den Sensorpfad sei auch ein NTCR von 2600 ppm, oder 0,0026/°C angenommen.
Dies ist der mittlere Bereich des Verfügbaren, jedoch keine spezielle Qualität. Diese
spezielle Kombination aus der Bahnlänge und dem TCR ist nicht völlig realistisch,
da Materialien mit hohem TCR dazu neigen, einen hohen spezifischen
Widerstand aufzuweisen, und so wären
die Pfade kurz und dick, statt des vorteilhafter Weise gewählten langen,
gedachten Pfads, jedoch ist das Prinzip dasselbe und das Ergeb nis
ist gültig.
- 3. Wenn der Hauptpfad betrachtet wird, so fällt sein "Heiß"widerstand von 27,4
Ohm bei 180°C wegen
seines PTCR bei "kalten" Bedingungen (20°C) auf 19,6
Ohm. Wenn der TCR null wäre, würde der
Widerstand nicht fallen, der Betriebsstrom bei 200 Volt wäre 7,3 A
und die Betriebsleistung wäre
1460 W. Da jedoch der Hauptpfad einen PTCR von 0,0025/°C aufweist,
steigt sein Kaltwiderstand mit dem Strom an und bei 200 Volt beträgt er 25,36
Ohm, was niedriger als sein Widerstand von 27,4 Ohm bei 180°C ist, da
die heiße
Betriebstemperatur des Elements wegen der niedrigeren Versorgung
von 200 Volt niedriger ist, wobei Proportionalität zwischen der Leistung und dem
Temperaturanstieg angenommen ist. Bei einem Widerstand von 25,36
Ohm bei 200 Volt beträgt
der Strom 7,9 A, was nur eine kleine Verringerung gegenüber den
nominell 8 A bei 240 Volt ist, und die Betriebsleistung liegt dicht
bei 1600 Watt.
- 4. Da der Widerstand des Hauptpfads so viel größer als
derjenige des Sensorpfads ist, wirkt der Hauptpfad als Ballast,
was für
den Sensorpfad unabhängig
von dessen Widerstand eine im Wesentlichen konstante Stromquelle
ergibt. Ersichtlicherweise hängt
der Konstantstrom von der Versorgungsspannung ab und ist für jede Versorgungsspannung
verschieden. So ergibt sich unter Verwendung des Sensorpfads, wenn
durch diesen 7,9 A geschickt werden, ein Temperaturanstieg von 150°C (Betriebstemperatur
von 170°C), sein
Widerstand steigt auf 0,626 Ohm an, und die umgesetzte Leistung
beträgt
39,1 Watt. Bei einem TCR vom Wert null und bei 7,2 A würde diese Leistung
31,1 W betragen.
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Aus
diesem einfachen Beispiel ist es erkennbar, dass sich die Leistungsregulierung
des Sensorpfads von 76% auf 95% verbesserte und die Betriebstemperatur
von 132°C
auf 170°C
verbessert ist. Es sind weitere Verbesserungen möglich, so dass z. B. ein Erhöhen des
TCR des Sensorpfads auf 0,003/°C eine
Regulierung von 96% ergibt. Die erzielten tatsächlichen Werte hängen von
den Eigenschaften der Dickfilmmaterialien ab, die zur Herstellung
der Heizerpfade verwendet werden, z. B. von der Zusammensetzung
und dem Anteil des mindestens einen Metalls in der Druckpaste.
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Ein
weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass
der NTCR des Sensorpfads in den Gebieten, die durch die Wände der
Umfassung bedeckt sind, für
einen gewissen Schutz des Heizelements sorgen kann. Es hat sich
herausgestellt, dass dann, wenn an diesen Punkten kein Wasser mit der
Heizerfläche
in Kontakt steht, die Heizerpfade zum Überhitzen neigen können, was
zu verfrühtem
Ausfall führt.
Dies könnte
dadurch überwunden
werden, dass an diesen Punkten ein Pfad mit niedrigem Widerstand
aufgedruckt wird, jedoch führt dies
zu zusätzlicher
Kompliziertheit des Designs. Jedoch würde der Widerstand des NTCR-Pfads
an diesen Punkten fallen, was die erzeugte Leistung verringern würde (da
der Strom im Wesentlichen konstant ist), und was die Tendenz zur Überhitzung
verringern würde.
Ein noch weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass NTCR-Materialien
dazu neigen, einen hohen spezifischen Widerstand zu zeigen, insbesondere
im Vergleich mit den Druckpastenmaterialien vom Typ mit leitender
Druckfarbe, wie sie aktuell für
gemäß unseren
Spezifikationen hergestellte Dickfilmelemente verwendet werden.
Dies bedeutet, dass eine kurze, breite Bahn erforderlich ist, um
den niedrigen Widerstand (0,6 Ohm) im Erfassungsgebiet zu erzielen.
Dies führt
zu einer gleichmäßigen Erwärmung unter
der Umfassung, und es liefert eine gute Fläche für die Wärmeübertragung zur Steuerung. Das
vorliegende Pfaddesign mit einem Material mit niedrigem spezifischem
Widerstand erfordert mehrere Pfade unter der Steuerung, wie es z.
B. in der 1 von EP-A-0
787 417 dargestellt ist, um eine ausreichende Leistungsdichte zu
erzielen.
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Während bei
der beschriebenen Anordnung der Widerstand des Hauptpfads viel größer als
derjenige des NTCR-Sensorpfads ist, ist es möglich, dass ähnliche
Effekte unter Verwendung von Pfaden mit engeren Widerstandswerten
erzielt werden. Das Vorliegen eines NTCR kann zu Instabilität führen, und der
große
Widerstand des Hauptpfads wirkt als Ballast hinsichtlich einer Kontrolle
hiervon. Wenn dies berücksichtigt
wird, könnten
Pfade mit ähnlichem
Widerstand verwendet werden. Auch wurden nahezu lineare TCR-Charakteristiken
angenommen, wohingegen eine gekrümmte
Charakteristik üblicher
ist, wobei die Werte bei höheren
Temperaturen kleiner sind. Eine Kombination von Materialien, deren
PTC- oder NTC-Charakteristiken für
verschiedene Temperaturen optimiert sind, könnte dazu verwendet werden, das
Ansprechverhalten zu linearisieren, oder einer möglichen Instabilität entgegenzuwirken,
wie sie verursacht wird, wenn die Pfadwiderstände stärker nahezu gleich sind.
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Nachdem
die Erfindung hier beispielhaft beschrieben wurde, ist es zu beachten,
dass das Beispiel in jeder Beziehung beispielhaft ist und dass Modifizierungen
und Variationen an ihm möglich
sind, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Z. B. wurde die Erfindung zwar in Zusammenhang mit dem Umfassungskonzept
beschrieben, wie es als Erstes in GB-A-1 143 834 vorgeschlagen wurde,
jedoch hat die Erfindung umfassendere Anwendungen, und sie könnte sich
in jeder Situation als nützlich
erweisen, in der die Temperatur eines Dickfilm-Heizelements durch
ein temperaturempfindliches Bauteil wie ein Schaltbetätigungs-Bimetallelement überwacht
wird, unabhängig davon,
ob ein derartiges Bauteil als Thermostat zum Aufrechterhalten des
Inhalts eines Gefäßes auf
einem vorbestimmten Temperaturwert oder als Übertemperatur-Schutzunterbrechung
konfiguriert ist.