[0001] Die Erfindung betrifft einen Temperaturschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
[0002] Aus der DE-B-25 00 586 ist ein Temperaturschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bekanntgeworden. Sein Fühler besteht aus einem Metallrohr, das als Ausdehnungselement
dient und das seine Ausdehnung über einen innen liegenden Stab aus Material mit geringerem
thermischem Ausdehnungskoeffizienten auf den Schalter überträgt. Dieser Fühler ist
mit einem darüber geschobenen Quarzrohr versehen, das verhindert, daß der Fühler eine
elektrische Überbrückung des Luftabstandes zwischen den Heizwiderständen und der beheizten
Glaskeramikplatte darstellt.
[0003] Das Quarzrohr ist für Strahlung gut durchlässig und behindert so den Strahlungs-Wärmeübergang
kaum.
[0004] Aus dem DE-U-78 26 549 ist ein Regler für Gasherde bekanntgeworden, bei dem über
das Fühlerrohr ein weiteres Metallrohr geschoben ist, das im Abstand von diesem liegt.
Dieses Rohr soll verhindern, daß die Gasflamme direkt den Fühler trifft.
[0005] Es ist aus der EP-B-116 861 ein Temperaturschalter bekanntgeworden, der auf einem
Steg des Isoliermaterials des Strahlheizkörpers, in den er eingebaut ist, liegt und
von diesem gegen Strahlung teilweise abgeschirmt wird, damit eine temporäre Ansprechverzögerung
bewirkt wird. Dadurch ist es möglich, in der Anheiz- bzw. Ankochphase den Strahlheizkörper
auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen, das dann beim weiteren Betrieb auf einen
Beharrungszustand abgesenkt wird, der mit Sicherheit keine Schädigung der Glaskeramikplatte
im Dauerbetrieb bewirkt. Ähnliches geht aus der EP-B-150 087 hervor, bei dem das
zum Temperaturfühler gehörende äußere Rohr als Quarzglasrohr ausgebildet ist. Das
Fühlerrohr ist mit einer Beschichtung aus einem infrarot reflektierenden Material
versehen, um zu verhindern, daß durch das rohrförmige Element durchgelassene Infrarotstrahlung
den inneren Stab erreicht.
[0006] Aus der älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 38
21 496 ist ein Temperaturfühler bekanntgeworden, dessen äußeres Fühlerrohr, das das
Ausdehnungsnormal bildet, aus einem die von der Strahlungsquelle kommende Strahlung
hauptsächlich absorbierenden Material besteht, beispielsweise einem durchgesinterten
keramischen Material, vorzugsweise Cordierit.
[0007] Temperaturschalter mit derartigen stabförmigen Differenz-Ausdehnungsstäben als Fühler,
bei denen das zum Fühler gehörende Außenrohr aus einem Quarzgut besteht, können zwar
relativ dünn gebaut werden und lösen wegen der guten Iso liereigenschaften des Quarzgutes
das Problem der Durchschlagsicherheit zwischen Heizwiderständen und Heizplatte, sind
aber relativ bruchgefährdet. Vor allem wirkt sich ein Bruch oder auch nur die geringste
Beschädigung an einem der Enden sofort auf die Schaltgenauigkeit aus und kann daher
die gesamte zu überwachende Einrichtung gefährden. Ferner sind Beschichtungen am Quarzgut
schwer mit der nötigen Beständigkeit anzubringen und können im Inneren des Fühlers
eine Art "Treibhauseffekt" erzeugen, der das Regelverhalten ungünstig beeinflußt.
[0008] Es wäre daher erstrebenswert, die aus der DE-B-25 00 586 bekannte Reglerbauart mit
innerem Vergleichsnormal-Stab und äußerem Ausdehnungsrohr, beispielsweise aus Metall,
zu verwenden. Mit übergeschobenem Quarzgutrohr nach dieser Druckschrift sind jedoch
die Schaltamplituden des Reglers zu gering, so daß er zu oft schaltet und die zulässige
"Knackrate", die wegen der Netz- und Funkstörung vorgeschrieben ist, überschreitet.
Außerdem erfolgt die Abschaltung beim ersten Aufheizen früher als es erwünscht ist.
Beim ersten Aufheizen ist nämlich eine Überschreitung der für den Schutz der Glaskeramik
nötigen maximalen Dauertemperatur möglich, ohne diese zu gefährden, so daß kürzere
Anheizzeiten erreicht werden können. Das Quarzgutrohr ist außerdem relativ teuer und
bruchanfällig.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Temperaturbegrenzer zu schaffen, der die
Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere bei zuverlässiger, betriebssicherer
Bauweise eine höhere Schaltamplitude und eine erhöhte Anheizperiode sicherstellt.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst.
[0011] Die Verwendung eines keramischen Materials, das von sich aus Absorptions- bzw. Reflektionseigenschaften
hat, vorteilhaft beides, sorgt dafür, daß der Fühler nur mit Sekundärwärme in Form
von Sekundärstrahlung des Außenrohrs bzw. von Kontakt- oder Konvektionswärmeübertragung
erhält. Dadurch tritt automatisch eine Verzögerung ein, die zu einer thermischen Ansprechverzögerung
des Temperaturschalters führt. Dadurch kann am Beginn des Reglers die eingestellte
Ausschalttemperatur "überschießen", während im Dauerbetrieb dann die eingestellte
Temperatur genau gehalten wird. Vorteilhaft dafür ist eine erhöhte thermische Trägheit
des Außenrohrs, die die Ansprechverzögerung vergrößert.
[0012] Das Außenrohr kann aus einer magnesiumsilikathaltigen technischen Keramik, ggf. mit
einem Anteil an Aluminiumsilikat, bestehen oder dieses enthalten. Besonders bevorzugt
als Material ist Steatit, das im durchgesinterten Zustand nicht nur die vorteilhaften
Reflektions- und Absorptionseigenschaften hat, d.h. für Strahlung direkt kaum durchlässig
ist, sondern daß sich auch bei Fallversuchen weniger bruchanfällig gezeigt hat als
ein Rohr aus Quarzgut. Darüberhinaus tragen seine besseren Wärmeleiteigenschaften
zu einem verbesserten Regelverhalten bei, insbesondere bei dem Fall, daß über der
Heizstelle zu kleine Wärmeabnehmer (Töpfe) oder verschobene Töpfe stehen. In diesen
Fällen spricht der Temperaturschalter früher an als mit dem Quarzgutrohr, so daß partielle
Überhitzungen an der Glaskeramik vermieden verwenden können. Durch die Erfindung
wird also nicht nur eine anfängliche Schaltverzögerung erreicht, sondern bei dem
besonders kritischen Fall des "verschobenen Topfes" auch ein früheres und somit ebenfalls
genaueres Ansprechen. Diese Forderungen, die sich an sich widersprechen, werden erstaunlicherweise
erreicht, obwohl die Schalthysterese wesentlich größer ist als bei der Ausführung
nach dem Stand der Technik.
[0013] Besonders bevorzugt ist der Temperaturschalter für Strahlungsbeheizungen für Glaskeramik,
deren Strahlungsquelle zumindest einen Strahlheizkörper enthält, dessen Heizwiderstand
bei Temperaturen oberhalb 1500K arbeitet und beispielsweise als Halogenlampe ausgebildet
ist. Diese sog. Hellstrahler sind aufgrund ihrer intensiven und relativ kurzwelligen
Strahlung besonders kritisch im Sinne einer Temperaturbegrenzung für die Glaskeramikplatte
zu regeln, in besonderem Umfange dann, wenn zusätzlich konventionelle Heizwiderstände
mit wesentlich niedrigeren Glühtemperaturen verwendet werden.
[0014] Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus
der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils
für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für
sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird. So sind auch Temperaturschalter umfaßt, die einen unterschiedlichen Grundaufbau
als nach dem Oberbegriff haben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Strahlungsheizung, die mit einem Temperaturschalter
versehen ist,
Fig. 2 einen Detaillängsschnitt durch einen Fühlerabschnitt des Temperaturschalters
und
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Temperaturfühler.
[0015] Fig. 1 zeigt einen Strahlheizkörper 11, der unter einer in Fig. 2 angedeuteten Glaskeramikplatte
12 angeordnet ist und auf dieser eine Heiz- oder Kochstelle abgrenzt. Ein Rand 14
eines Isolierträgers 15, der in einer flachen Blech-Trägerschale 16 liegt, bildet
die äußere Begrenzung der Kochstelle.
[0016] Die Beheizung des Strahlheizkörpers 11 bilden ein Hellstrahler 18 und ein Dunkelstrahler
20. Der Hellstrahler 18 enthält in einem Quarzglasrohr einen hochtemperaturfesten
Heizwiderstand 21, beispielsweise aus Wolfram. Das Quarzglasrohr 24 ist mehreckig
oder im wesentlichen kreisförmig gebogen, wobei seine beiden Anschlüsse 22 dicht nebeneinander
parallel durch den Rand 14 aus dem Strahlheizkörper hinausführen und dort mit Leitungsanschlüssen
versehen sind. Die bestimmungsgemäße Glühtemperatur liegt über 1500K, vorzugsweise
bei 2300K.
[0017] Die Glühtemperatur des Dunkelstrahlers 20 liegt wesentlich unter diesen Werten. Es
handelt sich bei ihm um einen üblichen wendelförmig gebogenen offenen Draht aus Widerstandsmaterial,
der wegen seiner geringeren Glühtemperatur nicht, wie der Hellstrahler, eine Schutzgasatmosphäre
benötigt. Der Dunkelstrahler ist in Form eines doppelt geführten Ringes ausgebildet,
dessen Anschlüsse 25 an der gleichen Seite des Doppelbogens zur inneren und äußeren
Windung reichen, wobei an der anderen Seite die beiden Windungen durch einen Bogen
26 miteinander verbunden sind. Ein Anschlußstück 38 für die Dunkelstrahleranschlüsse
ist in den Rand der Trägerschale 16 eingesetzt.
[0018] Ein stabförmiger Temperaturfühler 27 eines Temperaturschalters 28 ragt diametral
über den kreisförmigen Strahlheizkörper und ist in dem Rand 14 auf beiden Seiten
geführt. Der Schalterkopf 40 des Temperaturschalters 28 liegt außerhalb der übrigen
Strahlheizkörperbegrenzung. Er enthält zwei Schaltkontakte 41, 42, die in Fig. 1 angedeutet
sind. Einer dient zur Temperaturbegrenzung und der andere als Signalkontakt für die
Meldung des Heißzustandes der Kochstelle. Der Temperaturfühler 27 ragt mit Abstand
von der Unterseite der Glaskeramikplatte 12 und den Strahlern 18, 20 durch den schüsselförmigen
Innenraum des Strahlheizkörpers.
[0019] Die beiden die Strahlungsquelle bildenden Strahler 18, 20 bilden zwei im wesentlichen
zueinander konzentrische Ringe, von denen der Hellstrahler 18 den inneren bildet.
[0020] Der Temperaturfühler 27 des Temperaturschalters 28 besteht aus einem metallischen
Fühlerrohr 43 und einem darin liegenden Stab 44 aus einem Material mit gegenüber
dem Fühlerrohr 43 geringerem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise
einem Keramikstab. Das Fühlerrohr ist im Gehäuse des Schalterkopfes 40 befestigt,
während der Stab 44 direkt oder indirekt auf den oder die Schaltkontakte 41, 42 einwirkt.
Am freien Ende des Fühlerrohres 43 stützt sich der Stab 44 auf einer dort eingesetzten,
nicht dargestellten Justierschraube ab, die in einem Gewinde des Fühlerrohrs einstellbar
ist.
[0021] Das Fühlerrohr 43 ist von einem Außenrohr 45 umgeben, das einen etwas größeren Innendurchmesser
hat als der Außendurchmesser des Fühlerrohrs, so daß zwischen ihm und dem Fühlerrohr
ein Spalt 50 entsteht. Das Außenrohr 45 liegt unter Schwerkraft auf dem Fühlerrohr
auf, so daß sich der Spalt 50 insbesondere im unteren Bereich bildet. Das Außenrohr
kann sich innerhalb des Randes 14 axial führen, wenn die Löcher 46 in dem Rand 14,
durch die der Fühler 27 zu seiner Positionierung und Führung gesteckt ist, kleiner
sind als der Außendurchmesser des Außenrohres 45. Das Außenrohr, das hier über den
gesamten Strahlheizkörperdurchmesser einteilig durchgeht, sollte insbesondere in
den Bereichen, in denen die offen liegenden Strahlungsquellen, wie die Heizwendel
20, sind, keinen Spalt haben, durch den eine elektrisch leitende Brücke zur Glaskeramikplatte
gebildet wird. Die Glaskeramikplatte wird bei höheren Temperaturen elektrisch leitend,
und daher ist die Durchschlagsicherheit bis zu ihr zu bemessen. Deswegen ist im dargestellten
Beispiel, in dem die Heizwendel 20 bis nahe an den Rand 14 reicht, das Außenrohr 45
in einer Senkbohrung 48 des Randes in der Nähe des freien Fühlerendes geführt, so
daß das Außenrohr etwas in den Rand hineinreicht und kein Spalt entsteht. Auf der
Schalterkopfseite ragt das Außenrohr ebenfalls in eine dort vergrößerte Bohrung 49
des Randes hinein, die, ebenso wie die Bohrungen 46, 48, auch als zur Oberseite des
Randes hin offene U-förmige Ausnehmungen gebildet sein können. Über das Fühlerrohr
43 ist nahe des Schalterkopfes ein elastisches Element 51 in Form eines wärmebeständigen
Schlauches, beispielsweise eines Silikon-Glasseide-Isolierschlauches gezogen. An diesem
stützt sich das Außenrohr 45 ab und positioniert es so elastisch, daß es an die Schulter
zwischen den Bohrungen 46 und 48 angedrückt wird. Dadurch ist das Außenrohr elastisch
geführt, so daß es wesentlich weniger bruchgefährdet ist, als wenn es frei beweglich
wäre.
[0022] Das Außenrohr 45 besteht aus Steatit. Dieses Material der Gruppe KER 200 nach DIN
40685 (Keramische Isolierstoffe für die Elektrotechnik) hat sich besonders bewährt.
Steatit ist ein magnesiumsilikathaltiges Erzeugnis, das besonders dicht ist und
vor dem Brand gut durch Gießen, Drehen, Strangpressen, Pressen oder dgl . bearbeitet
werden kann, so daß auch ein relativ dünnwandiges Rohr größerer Länge herstellbar
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Außenrohr 45 einen Außendurchmesser von
7 mm bei einer Wanddicke von ca. 0,8 mm. Das Material ist nach dem Brande mechanisch
sehr fest, hat eine sehr hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und vor allem eine
gegenüber Quarzgut wesentlich höhere Biegefestigkeit. Eine besonders vorteilhafte
Eigenschaft in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, daß das Material bei relativ
hoher Rohwichte eine hohe spezifische Wärme hat, so daß die thermische Trägheit, die
das Rohr schon aufgrund seiner Wärmespeicherkapazität vermittelt, groß ist. Besonders
wichtig ist die Tatsache, daß es nicht transparent ist und aufgrund seiner meist hellen
Farbe einen großen Teil der Strahlung reflektiert, während der andere Teil absorbiert
wird und dann nur durch Sekundärstrahlung, Wärmeleitung oder Konvektion an das eigentliche
Fühlerrohr 43 abgegeben wird, was mit einiger Verzögerung geschieht. Auch die thermische
Leitfähigkeit ist höher als beim Quarzgut, so daß das Außenrohr dazu beiträgt, die
Wärme über die Fühlerlänge zu verteilen und damit bei der beschriebenen Situation
"verschobener Topf" zu einem früheren Ansprechen zu kommen.
[0023] Andere Materialien, die ähnliche Eigenschaften haben, sind ebenfalls geeignet, beispielsweise
Aluminium-Magnesium-Silikate (Gruppe KER 400 nach DIN 40685). Dort ist Cordierit
ein geeigneter Werkstoff, obwohl seine hervorragende Eigenschaft, nämlich die geringe
Wärmedehnung, hier seltener benötigt wird. Die dadurch erhöhte Wärmeschockbeständigkeit
kann aber in Sonderfällen wichtig sein.
[0024] Nach dem Einschalten der Strahlungsquellen 18, 20 heizen sich diese, insbesondere
der Hellstrahler 18, schnell auf, und die Strahlung wird auf die Glaskeramikplatte
12 gerichtet, die einen Teil der Strahlung durchläßt, einen großen Teil jedoch umsetzt.
Dabei heizt sich die Glaskeramikplatte erheblich auf, und es würde an ihrer Unterseite
relativ schnell die kritische Temperatur in der Größenordnung um 900 bis 1000K erreicht
werden, bei der die Glaskeramik dauernde Schäden erleiden würde, wenn sie mit dieser
Temperatur längere Zeit betrieben werden würde. Aus diesem Grunde ist der Temperaturbegrenzer
vorgesehen, der darauf eingestellt ist, außer dem Betätigen einer Heißanzeige, die
schon bei Temperaturen um 300K anspricht, die Strahlungsheizkörper abzuschalten oder
in ihrer Leistung zu vermindern, wenn sich die Temperatur der kritischen Temperatur
der Glaskeramikplatte annähert. Die Strahlung wird von dem Außenrohr 45 abgeschirmt,
und zwar teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Dabei ist es vorteilhaft,
daß der Spalt 50 von beispielsweise 0,5 bis 0,8 mm zwischen dem Fühlerrohr 43 und
dem Außenrohr 45 sich in erster Linie auf der unteren Seite ausbildet, wo die Strahlung
auftrifft, so daß dort ein Isolationszwischenspalt entsteht. Die Wärme kann also
nur durch Sekundärstrahlung oder durch Wärmeübertragung in dem Spalt 50 übertragen
werden, während Kontaktübertragung nur im oberen Abschnitt vorliegt, wo das Außenrohr
auf dem Fühlerrohr aufliegt. Bis dahin muß allerdings die Wärme durch Leitung um
den halben Umfang des Außenrohrs herum geleitet werden. Es tritt also eine erhebliche
Ansprechverzögerung ein, die die Temperatur an der Unterseite der Glaskeramik etwas
über den Dauerbegrenzungswert überschießen läßt, was sich als zulässig herausgestellt
hat und die Ankochzeiten wesentlich verkürzt. Durch die einseitige Spaltausbildung,
die bei einem unter der beheizten Platte angeordneten Heizelement sich durch die Schwerkraft
einstellt, aber bei anderer Anordnung auch durch andere Maßnahmen erreicht werden
kann, wird auch bewirkt, daß infolge der besseren Wärmeübertragung von der beheizten
Platte her deren Rückstrahlung sich verstärkt auswirkt.
[0025] Im stationären Betrieb wirkt sich die Verzögerung, die durch alle Faktoren, wie Abschirmung,
thermische Masse etc., bewirkt werden, dahingehend aus, daß die Schaltamplitude sich
fast um eine Zehnerpotenz vergrößern läßt und damit die Schaltintervalle auf ein zulässiges
Maß gesenkt werden können. So konnte die Schaltamplitude von +/― 1,5K mit einem Quarzrohr
auf +/- 11k mit einem Steatit-Außenrohr als Außenrohr gesteigert werden.
[0026] Dabei hat natürlich das Außenrohr 45 den gewünschten Effekt, daß die notwendige
Luftstrecke zwischen der bei höheren Temperatur leitenden Glaskeramik und den Strahlheizkörpern,
insbesondere den offen liegenden Strahlheizkörpern, nicht überbrückt wird. Dies ist
auch deswegen wichtig, weil im Falle des Bruches der Glaskeramik und/oder einer gekapselten
Strahlungsquelle, wie des Hellstrahlers 18, keine elektrisch leitende Brücke geschaffen
wird, sondern im Gegenteil eine zusätzliche Sicherheit gegen Berührung geschaffen
wird.
1. Temperaturschalter für eine eine Strahlungsquelle (18, 20) enthaltende Strahlungsheizung
(11), mit wenigstens einem Schaltkontakt (41, 42) und einem Temperaturfühler (27),
der z.B. aus einem Stab (44) und einem diesen umgebenden Fühlerrohr (43) besteht,
die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, wobei das vorzugsweise
aus einem leitenden Material, wie Metall, bestehende Fühlerrohr (43) von einem elektrisch
isolierenden Außenrohr (45) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr
(45) ein die von der Strahlungsquelle (18, 20) kommende Strahlung zumindest in wesentlichem
Umfang absorbierendes und/oder reflektierendes keramisches Material aufweist.
2. Temperaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr
(45) eine magnesium-silikat-haltige technische Keramik, ggf. mit einem Anteil an
Aluminium-Silikat, enthält und vorzugsweise daraus besteht.
3. Temperaturschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr
(45) Mittel zur thermischen Ansprechverzögerung des Temperaturschalters (28) aufweist.
4. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (45) eine erhöhte thermische Trägheit und/oder thermische Leitfähigkeit
aufweist.
5. Temperaturschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Außenrohr aus Steatit besteht.
6. Temperaturschalter, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Außenrohr (45) und Fühlerrohr (43) ein Spalt (50) vorhanden
ist und vorzugsweise das Außenrohr (45) in Richtung auf die Strahlungsquelle (18,
20) zu versetzt angeordnet ist, z.B. indem es unter Schwerkraft auf dem Fühlerrohr
(43) aufliegt.
7. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (45) über die Fühlerlänge, insbesondere im Bereich von offen liegenden
Strahlheizkörpern (20) einteilig ausgebildet ist.
8. Temperaturschalter, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Außenrohr (45) von einem Isolierrand (14) der Strahlheizung
(11), ggf. in Senkbohrungen (48), axial geführt ist.
9. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Außenrohr (45) zu einem den wenigstens einen Schaltkontakt (41, 42) enthaltenden
Schalterkopf (40) hin durch ein das Fühlerrohr (43) umgebendes elastisches Element
(51), wie einen wärmebeständigen Isolierschlauch, axial elastisch geführt ist.
10. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stab (44) aus keramischem Material und das Fühlerrohr (43) aus Metall mit
einem gegenüber dem Stabmaterial größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht
und daß insbesondere die Strahlungsheizung (11) für die Beheizung einer Glaskeramikplatte
(12) ausgebildet ist, wobei die Strahlungsquelle zumindest einen Strahlungsheizkörper
(18) enthält, dessen Heizwiderstand bei Temperaturen oberhalb 1500K arbeitet und vorzugsweise
eine Halogenlampe oder dgl. ist.