Elektrisches Heizgerät Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Heizgerätes und ein elek trisches Heizgerät zur Durchführung dieses Ver fahrens. Nach dem Patentanspruch II des Haupt patentes zeichnet sich dieses Heizgerät dadurch aus, dass es ein Oberflächenheizelement zur Aufnahme eines Kochgefässes enthält, das an eine Spannungs duelle angeschlossen werden kann, ferner eine Ein richtung, die auf den von dem Heizelement er zeugten Temperaturzustand anspricht,
ferner eine Einrichtung zur Herabsetzung der Energiezufuhr für das Heizelement beim Anstieg der von der tempe raturempfindlichen Einrichtung festgestellten Tem peratur auf einen ersten vorgegebenen Temperatur zustand und eine Einrichtung zur mindestens zeit weisen Beendigung der Energiezufuhr bei einem weiteren von der temperaturempfindlichen Vorrich tung festgestellten Temperaturanstieg auf eine zweite vorbestimmte Temperatur.
Bei den im Hauptpatent beschriebenen Aus führungsbeispielen wird beim Anstieg der von der temperaturempfindlichen Einrichtung festgestellten Temperatur auf den ersten vorgegebenen Tempe raturzustand die Energiezufuhr für das Heizelement um einen bestimmten Betrag herabgesetzt, indem dem Heizelement der Strom zwar bei gleichbleiben der Spannung aber nur während eines bestimmten Bruchteiles einer kurzen Arbeitsperiode zugeführt wird, z. B. während 10 Sekunden einer Arbeitspause von 30 Sekunden, oder indem der Strom dem Heiz- element zwar dauernd, aber bei z. B. auf die Hälfte herabgesetzter Spannung zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung verbessert das im Patentanspruch 1I des Hauptpatentes definierte elek trische Heizgerät nun durch eine Regeleinrichtung, welche bei Erreichung des ersten vorgegebenen Temperaturzustandes die Energiezufuhr um einen variablen Betrag herabsetzt, wobei diese Energie zufuhr dann im gleichen Sinne wie der Unterschied zwischen der zweiten vorbestimmten Temperatur und der tatsächlichen Temperatur des Kochgefässes ab- und zunimmt.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Aus führungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sche matisch dargestellt.
Die Zeichnung zeigt ein ringförmiges Ober flächenheizelement 10, das auf der Herdplatte eines elektrischen (nicht dargestellten) Herdes in an sich bekannter Art montiert ist. Das Heizelement 10 kann ein Kochgefäss 12 aufnehmen und ist mit einem temperaturempfindlichen Fühlkolben 14 ver sehen, der in der Mitte des Heizelementes angeord net ist.
Der Kolben 14 hat die Form eines flachen hoh len Behälters, der mit einem Kapillarrohr 16 in Verbindung steht, das an ihn angeschlossen ist, und wird gegen den Kochtopf 12 mit Hilfe einer Feder 18 gedrückt, die auf einem geeigneten Bügel 20 angebracht ist. Die besondere Konstruktion des Fühlkolbens 14 und seiner Halterung ist im Haupt patent beschrieben.
Die Kapillarröhre 16 geht durch die Wandung eines Gehäuses 30 hindurch und steht mit einem ausdehnungsfähigen Betätigungselement 22 in Ver bindung, das aus zwei biegsamen, am Rand zusam mengeschweissten Membranen bestehen kann, die auf einer Seite einen Druckknopf 24 tragen. Die andere Seite des Betätigungselementes 22 ist an einem Bolzen 26 befestigt, der durch eine geeignete Öffnung 28 in einer anderen Wandung des Gehäuses 30 hindurchgeschraubt ist.
Das Kapillarrohr 16 dient dazu, das Betätigungselement 22 in einer Kammer 32 zu beeinflussen, die in dem Gehäuse 30 gebildet wird; das Betätigungselement 22 kann durch Bedienung des Schraubenbolzens 26 verstellt werden.
Das gegenüberliegende Ende des Bolzens 26 ragt aus dem Gehäuse 30 heraus und trägt einen von Hand bedienbaren Knopf oder eine Scheibe 34, die so bedient werden kann, dass sich mit ihr der Bolzen 26 dreht und dadurch eine axiale Einstellung des Betätigungselementes 22 gegenüber dem Ge häuse 30 bewirkt. Das Innere des Kolbens 14, der Kapillarröhre 16 und des ausdehnungsfähigen Be- tätigungselementes 22 ist mit einer geeigneten Flüs sigkeit gefüllt, die sich bei einer Zunahme der Tem peratur des Kolbens 14 ausdehnt, um eine Ausdeh nung des Betätigungselementes 22 herbeizuführen.
In der Kammer 32 ist eine zyklisch, das heisst periodisch betätigte Schalter-Betätigungsvorrichtung 36 vorgesehen, die Einrichtungen zum periodischen Schliessen und Öffnen eines weiter unten beschrie benen Regelkreises aufweist. Die zyklische Schalt vorrichtung 36 enthält im vorliegenden Fall einen festen Kontakt 38, einen mit diesem zusammen arbeitenden beweglichen Kontakt 40 und einen bieg samen Bimetall-Schaltarm 42. Der bewegliche Kon takt 40 sitzt auf dem freien Ende des Schaltarmes 42, der mit seinem anderen Ende in dem Gehäuse 30 in geeigneter Weise befestigt ist.
Der Bimetall- Schaltarm 42 ist in dem Gehäuse 30 so angeordnet, dass der bewegliche Kontakt 40 in Berührung mit dem festen Kontakt 38 gehalten wird, wenn der Schaltarm 42 nicht geheizt ist. Eine Erwärmung des Bimetall-Schaltarmes 42 ruft eine Biegung desselben hervor, so dass der Kontakt 40 ausser Eingriff mit dem Kontakt 38 kommt. Die Aufwärtsbewegung des Armes 42 ist durch eine Schraube 47 begrenzt, die in dem Gehäuse 30 sitzt und durch ein Plättchen 49, welches auf dem Schaltarm 42 befestigt ist, von ihm isoliert ist.
Der Bimetall-Schaltarm 42 wird durch eine Vor richtung abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Zu diesem Zweck ist eine Heizspule 44 in dem Ge häuse 30 oberhalb des Schaltarmes 42 angeordnet, und ist mit ihrer einen Seite an dem einen Ende 45 des Schaltarmes 42 und mit ihrer anderen Seite an einen Draht 46 angeschlossen, der aus dem Gehäuse 30 herausführt.
Die elektrische Verbindung zwischen den ver schiedenen Teilen der zyklischen Schaltvorrichtung geht aus deren weiter unten folgenden Beschreibung der Arbeitsweise des Gerätes hervor.
In der Kammer 32 ist ein Schaltarm 48 ange ordnet, der an seinem einen Ende gelenkig in dem Gehäuse gelagert ist und an seinem freien Ende einen beweglichen Kontakt 50 trägt. Der Schaltarm 48 liegt unterhalb des Druckknopfes 24 des Betäti gungselementes 22 und trägt ein Plättchen aus Iso liermaterial 52, das mit dem Druckknopf 24 in Ein griff kommen kann. Eine Feder 54 ist zwischen dem Arm 48 und dem Gehäuse 30 eingespannt, um den Schaltarm 48 entgegen dem Uhrzeigersinn in der Ansicht der Zeichnung zu drehen und ihn in Berührung mit dem Druckknopf 24 zu bringen.
Ein Schaltarm 58 befindet sich im Abstand von dem Schaltarm 48 und ist bei 56 gelenkig mit dem Gehäuse 30 verbunden. Der Schaltarm 58 wird durch eine Feder 60, die zwischen dem Gehäuse 30 und dem freien Ende des Armes 58 eingespannt ist, im Uhrzeigersinn geschwenkt. Ein beweglicher Kontakt 62 sitzt auf dem mittleren Teil des Schalt armes 58 und kommt normalerweise mit dem Kon takt 50 in Berührung. Es sei bemerkt, dass der wirk same Bewegungsbereich des Armes 58 verhältnis mässig klein ist im Vergleich zu dem Bewegungs bereich des Armes 48, so dass der Kontakt 50 über eine entsprechend grössere Strecke bewegt\ werden kann als der Kontakt 62.
Um die Bewegung von dem Bimetall-Schaltarm 42 auf den Schaltarm 58 für einen weiter unten erläuterten Zweck zu übertragen, ist ein Anschlag vorgesehen. Dieser Anschlag hat die Form eines Stiftes 64 aus nichtleitendem Material, der in einer Öffnung 66 in einem nach innen vorspringenden Wandungsteil 68 verschiebbar angeordnet ist, wobei der Wandungsteil mit dem Inneren des Gehäuses 30 verbunden ist. Der Stift 64 liegt zwischen den Schaltarmen 42 und 58, wobei er bei allen Stellun gen dieser Schaltarme dauernd in Berührung mit ihnen steht.
Der Bedienungsknopf 34 ist mit einem Nocken 70 versehen, der mit einem normalerweise geschlos senen Schalter 72 zusammenarbeitet, um diesen in einer vorbestimmten Stellung des Knopfes 34 zu öffnen und hierdurch eine Aus -geschaltete Stel lung der Regeleinrichtung zu schaffen. <I>Arbeitsweise</I> Das Gerät ist in der Zeichnung in der aus geschalteten Stellung dargestellt, in der dem Ober- flächenheizelement 10 oder der Heizspule 44 keine elektrische Energie zugeführt wird. Um das Gerät in Betrieb zu nehmen, wird der Bedienungsknopf 34 auf die gewünschte Temperatureinstellung ge dreht. Die Drehung des Knopfes 34 bringt den Nocken 70 ausser Eingriff mit dem Schalter 72, so dass der letztere geschlossen wird.
Die Temperatur einstellbewegung des Knopfes 34 dient auch dazu, den Bolzen 26 aus dem Gehäuse 30 herauszu schrauben und das Betätigungselement nach oben zu bewegen, so dass der bewegliche Kontakt 50 des Schaltarmes 48 in Berührung mit dem beweglichen Kontakt 62 kommt.
Das Gerät ist jetzt in einem solchen Zustand, dass es dem Oberflächenheizelement 10 einen ste tigen elektrischen Strom über folgenden Kreis zu führt: Von einem Leitungsanschluss L1 eines geeigne ten Dreileiternetzes über die Leitung 74, den Schal ter 72, die Leitung 76, das Heizelement 10, die Leitung 78, die Leitung 80, den Schaltarm 58, die Kontakte 62 und 50, den Schaltarm 48 und die Leitung 82 zum Leitungsdraht L2.
Wenn dem Heizelement 10 die Heizleistung auf diesem Wege zugeführt wird, wird Wärme erzeugt, so dass die Temperatur in dem Kochgefäss zu nimmt und die darin befindlichen Nahrungsmittel erwärmt werden.
In diesem Zeitpunkt ist auch ein Stromkreis über die Heizspule 44 der zyklisch arbeitenden Schaltvorrichtung 36 geschlossen. Dieser Stromkreis verläuft wie folgt: Von der Leitung L1 über die Leitung 74, den Schalter 72, die Leitung 76, die Leitung 84, die Leitung 46, die Heizspule 44, den Schaltarm 42, die Kontakte 40 und 38, die Leitung 86 und die Leitung 88 zur neutralen Leitung N des Dreileiter systems. Der Heizspule 44 wird daher eine Span nung aufgedrückt, so dass ein Strom in der Spule fliesst und die Temperatur derselben ansteigt.
Die Temperaturzunahme der Heizspule 44 bewirkt, dass der Bimetallstreifen 42 erwärmt wird und sich durchbiegt, so dass der bewegliche Kontakt 40 ausser Eingriff mit dem festen Kontakt 38 kommt und der oben angegebene Heizkreis für die Heizspule 44 unterbrochen wird. Die Heizspule 44 kühlt sich dann ab, und ebenso der Bimetallstreifen, so dass der bewegliche Kontakt 40 wieder in Eingriff mit dem festen Kontakt 38 kommt. Die Bewegung des Kontaktes 40 auf den Kontakt 38 zu schliesst wieder den Kreis für die Heizwicklung 44, und der Kreis lauf der zyklisch arbeitenden Schaltvorrichtung 36 wird wiederholt.
Das periodische Biegen und Strecken des Bi metallarmes 42 dient dazu, den Stift 64 in einer senkrechten Ebene hin und her zu bewegen. Da der Stift 64 in ständiger Berührung mit dem Schaltarm 58 steht, wird dieser synchron mit der Bewegung des Armes 42 bewegt. Es sei bemerkt, dass der Stromkreis für den periodischen Schalter 36 un abhängig von allen anderen Kreisen der Regelvor richtung ist und dass der Bimetallschaltarm 42 sei nen Arbeitskreislauf ausführt, sobald der Schalter 72 geschlossen ist und der Knopf 34 sich ausserhalb der Ausschaltstellung befindet. Solange daher der Schalter 72 geschlossen ist, arbeitet der Schaltarm 58 ständig periodisch unter der kombinierten Ein wirkung der Kräfte, die durch den Stift 64 und die Feder 60 ausgeübt werden.
Wie oben erwähnt, ist die Schaltstrecke des Kontaktes 50 wesentlich grösser als der Bewegungsbereich des Kontaktes 62. Es ist daher ersichtlich, dass bei bestimmten Stellungen des Schaltarmes 48 die Kontakte 50 und 62 un abhängig von der Stellung des Schaltarmes 58 ge schlossen bleiben.
Durch die anfängliche Temperatureinstellung des Knopfes 34 wird, wie oben erwähnt, der Bolzen 26 aus dem Gehäuse 30 heraus und das Betätigungs element 22 nach oben bewegt. Hierbei wird ein Abstand zwischen dem Ende des Knopfes 24 und dem Plättchen 52 geschaffen, so dass die Feder 54 den Schaltarm 48 entgegen dem Uhrzeigersinn in die oberste Stellung bringen kann. In dieser Lage berührt der Kontakt 50 den Kontakt 62 und bleibt bei allen Stellungen des Schaltarmes 58 mit ihm in Berührung, wie aus der folgenden ausführlichen Be schreibung des Arbeitskreislaufes hervorgeht.
Die Bewegung des Schaltarmes 58 nach unten unter der Einwirkung der von dem Bimetall-Schalt- arm 42 auf den Stift 64 ausgeübten Kraft drückt den Kontakt 62 nach unten entgegen der Feder 60, und da die Kontakte 50 und 62 einander berühren, wird der Kontakt 50 ebenfalls nach unten ent gegen dem Federdruck 54 bewegt. Eine Aufwärts bewegung des Armes 58, die durch die kombinierte Wirkung der Durchbiegung des Bimetallarmes 42 und die Ausdehnung der Feder 60 hervorgerufen wird, nimmt den Kontakt 62 mit, dem der Kontakt 50 folgt, da der Arm 48 bei seiner Aufwärts bewegung nicht gehemmt ist.
Wenn die Temperatur des Kochgefässes 12 an steigt, nimmt auch die Temperatur des Fühlkolbens 14 zu, so dass das Betätigungselement 22 sich aus dehnt. Die Ausdehnung des Betätigungselementes 22 bringt den Druckknopf 24 in Eingriff mit dem Plättchen 52, so dass der Schaltarm 48 im Uhr zeigersinn gegen die Vorspannung der Feder 54 ge schwenkt wird, wobei der Kontakt 50 daran gehin dert wird, dem Kontakt 62 über den ganzen Bewegungsbereich desselben zu folgen. In diesem Zeitpunkt hat das Kochgefäss die gewünschte vor bestimmte Temperatur, die durch den Knopf 34 eingestellt wurde, nahezu erreicht.
Eine weitere Erwärmung des Kochgefässes 12 und Ausdehnung des Betätigungselementes 22 dient dazu, den Kontakt 50 zu senken, bis er den Kontakt 62 nicht mehr berührt, während sich der Schaltarm 58 in seiner obersten Stellung befindet. Die Aus dehnung des Elementes 22 unterbricht daher die Aufwärtsbewegung des Armes 48, so dass die Kon takte 50 und 62 sich trennen können und der Kontakt 62 und der Arm 58 sich während dieses Teiles der periodischen Bewegung frei nach oben bewegen können.
Bei diesem Betriebszustand bewegt sich der Kontakt 62 periodisch in und ausser Eingriff mit dem Kontakt 50 unter dem Einfluss des Bimetall-Schalt- armes 42 und der Heizspule 44 über den die Bewe gung übertragenden Stift 64. Die Heizleistung wird daher dem Oberflächenheizelement 10 mit Unter brechungen zugeführt und die elektrische Gesamt leistung, die dem Oberflächenheizelement 10 zuge führt wird, ist durch die Einstellung des Kontaktes 50 bestimmt, da die Einstellung des Kontaktes 50 angibt, wie lange er in Berührung mit dem Kontakt 62 während des Arbeitskreislaufes des Kontaktes 62 gehalten wird.
In dem Zustand, in dem sich der Kontakt 62 in der obersten Stellung befindet und das Betätigungselement 22 sich so weit ausgedehnt hat, dass der Kontakt 50 sich gerade von dem Kontakt 62 trennt, wird dem Heizelement 10 immer noch eine beträchtliche elektrische Leistung zugeführt. Eine weitere Ausdehnung des Betätigungselementes 22 bewegt den Kontakt 50 so weit nach unten, dass die Berührungszeit zwischen Kontakt 50 und Kontakt 62 verkürzt wird und daher weniger Lei stung dem Heizelement 10 zugeführt wird. Dieser Betriebszustand dauert an und bewirkt proportional zur Ausdehnung des Betätigungselementes 22 eine Bewegung des Kontaktes 50 von dem Kontakt 62 weg.
Die Temperaturzunahme des Kochgefässes 12 dauert an, bis eine gewünschte vorbestimmte Tem peratur erreicht ist, bei der der Kontakt 50 sich so weit bewegt hat, dass die Kontaktstelle 50/62 un abhängig von der Stellung des Kontaktes 62 offen bleibt.
Es sei bemerkt, dass nach der Unterbrechung des stetig arbeitenden und des mit Unterbrechungen arbeitenden Speisekreises des Heizelementes 10 die Heizspule 44 über den oberen angegebenen Kreis erregt wird, da dieser unabhängig von dem Heizkreis für das Heizelement 10 ist. Der zyklische Schalter 36 arbeitet daher periodisch und kann die Regelung der Speisung des Heizelementes 10 jederzeit wieder übernehmen.
Wenn die Temperatur des Gefässes 12, die von dem Kolben 14 gemessen wird, absinkt, zieht sich das Betätigungselement 22 zusammen, so dass der Schaltarm 48 sich entgegen dem Uhrzeigersinn unter der Wirkung der Feder 54 dreht. Diese Bewegung des Schaltarmes 48 bringt den Kontakt 50 in Ein griff mit dem Kontakt 62, und zwar während eines kleinen Teiles der Einschaltzeit des periodisch ar beitenden Schaltarmes 58, so dass der mit Unter brechung arbeitende Erregerkreis für das Heiz- element 10 wiederum arbeitet und dem Gefäss 12 wieder Wärme zugeführt wird.
Die Einschaltung dieser schwachen Wärmezufuhr wird gewöhnlich ausreichen, um die gewünschte Regeltemperatur des Gefässes 12 wieder herzustellen, so dass sich das Betätigungselement 22 wieder ausdehnt und der Kontakt 50 entsprechend bewegt wird. Falls jedoch diese geringe Wärmezufuhr nicht genügt, um die gewünschte Temperatur wieder herzustellen, z. B. wenn eine beträchtliche Menge eines Nahrungsmit tels oder einer Flüssigkeit in das Kochgefäss 12 eingebracht wird, kann sich das Betätigungselement 22 so weit zusammenziehen, dass der Kontakt 50 dauernd geschlossen wird und dem Kontakt 62 folgt, so dass der Stromkreis für die ständige Zufuhr elek trischer Energie für das Heizelement 10 geschlos sen wird.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung bewirkt also, dass die Temperatur des Kochgefässes rasch auf eine Temperatur ansteigt, welche in der Nähe der gewünschten Regeltemperatur liegt, indem dem Heizelement 10 ständig Strom zugeführt wird, und dass danach ein allmählicher Temperaturanstieg des Kochgefässes 12 auf die gewünschte Koch temperatur erfolgt, indem dem Kochgefäss eine durchschnittliche Leistung zugeführt wird, die dem Temperaturunterschied zwischen der gewünschten Regeltemperatur und der tatsächlichen Temperatur des Kochgefässes 12 proportional ist.
Die vor gesehene Temperatur des Kochgefässes 12 wird da durch aufrechterhalten, dass dem Heizelement 10 zwischen einer ersten und einer zweiten vorbestimm ten Temperatur der Strom mit Unterbrechungen in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen des Kochgefässes 12, unterhalb dieser ersten Temperatur ständig und oberhalb der zweiten nicht mehr zuge führt wird.