DE2801713B2

DE2801713B2 - Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von zum unmittelbaren Verzehr bestimmten Flüssigkeiten in einem Behälter

Info

Publication number: DE2801713B2
Application number: DE2801713A
Authority: DE
Inventors: Amilcare Alba Cuneo Dogliotti
Original assignee: P Ferrero & C SpA Alba Cuneo It
Current assignee: P Ferrero & C SpA Alba Cuneo It
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1978-01-16
Publication date: 1981-06-19
Also published as: NL187100C; AU3243878A; DK156936B; ATA29578A; US4164645A; SE418041B; NL7800490A; NL187100B; SE7800468L; CH620352A5; DE2801713C3; AT373464B; JPS5458239A; FR2405681A1; CA1088137A; DE2801713A1; DK156936C; IT1091196B; DK19878A; GB1594385A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von zum unmittelbaren Verzehr bestimmten Flüssigkeiten in einem Behälter, mit einer elektrischen Heizplatte, die einen Heizwiderstand mit positivem Tetrperaturkoeffizienten aufweist, mit einer Einrichtung zum Anheben des Behälters von der Heizplatte bei Erreichen einer vorgegebenen gewünschten Temperatur der Flüssigkeit und zur Einflußnahme auf die Stromversorgung nach Erreichen der gewünschten Temperatur.

Eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der GB-PS 12 90 708 bekannt. Dabei arbeitet die Einrichtung zur Einflußnahme auf die Stromversorgung, indem nach dem Anheben des Behälters durch ein Bimetallelement der Wärmeübergang zwischen einem Heizelement und dem Behälter verschlechtert wird, so daß die Temperatur des Heizwiderstands mit positivem Temperaturkoeffizienten ansteigt, bis dieser seine Umwandlungstemperatur erreicht, womit der durch die Heizvorrichtung fließende Strom abrupt verringert wird.

Bei Heizvorrichtungen der in Frage stehenden Art ist ferner aus der US-PS 32 15 818 ein Temperatursteuerkreis bekannt, der aus einer Wheatstone'schen Brückenschaltung besteht, in deren einem Zweig der Heizwiderstand angeordnet ist und dessen Zu- und Abschaltung abhängig von einem in der Brückendiagonale fließenden Steuerstrom über einen Thyristor erfolgt, bei dessen Einschaltung dem Heizwiderstand ein aus den positiven Halbwellen eines zugeführten Wechselstroms bestehender Strom zugeführt wird.

Eine weitere Steuerschaltung für eine Heizvorrichtung ist aus der US-PS 37 89 190 bekannt, die einen Temperaturmeßkreis, einen Zeitschaltkreis und einen

Steuerkreis enthält.

Die bekannten vorausgehend aufgeführten Heizvorrichtungen ermöglichen zwar bei den üblichen metallischen Kochgefäßen die Vermeidung jeglicher unzulässiger Erhitzung, arbeiten jedoch mit einer verhältnismäßig breiten Temperaturgrenze, weil auch nach dem Abschalten des Heizwiderstands ein merklicher Wärmeübergang auf den zu erhitzenden Behälter auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Frage stehende elektrische Heizvorrichtung derart auszubilden, daß auch geringfügige unzulässige Erhitzungen der Behälterwand ungeachtet der Verwendung empfindlicher Behälter, wie beispielsweise dünnwandige Behälter aus eineim thermoplastischen Material, die mit einem durch Schweißen aufgesetzten Metalldeckel verschlossen sind, verhindert werden.

Derartige Behälter werden beispielsweise an Bahnhöfen oder Unterhaltungsplätzen oder auch an Arbeitsplätzen ausgegeben, wo ein flüssiges Getränk innerhalb einer sehr kurzen Zeit, im typischen Fall in weniger als 50 Sekunden auf die optimale Temperatur für den Verbrauch, im typischen Fall auf etwa 50°C erwärmt werden muß, ohne daß Kunststoffmaterial des Behälters zu beschädigen.

Die vorausgehend aufgeführte Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten elektrischen Heizvorrichtung dadurch gelöst, daß die Steuerung aus einer Zeitsteuerung besteht, die die Gesamtheizdauer für die Heizplatte festgelegt und nach Ablauf derselben einen elektronisehen Temperaturregler stromlos macht, sowie gleichzeitig die Einrichtung zum Anheben des Behälters betätigt, die eine gegen die Kraft eines Elektromagneten wirkende Feder aufweist, die auf eine gabelförmige oder C-förmige Halterung für den Behälter einwirkt und bei Stromloswerden des Elektromagneten den unter seiner Magnetwirkung vorhandenen Kontakt zwischen Behälter und Heizplatte völlig löst.

Die rasche Erhitzung auch empfindlicher dünnwandiger Behälter ohne jegliche Gefahr einer Übererhitzung derselben, wird somit durch folgende Merkmale erreicht:

a) die Verwendung einer Zeitsteuerung für die Beendigung der Heizperiode und der Anlageperiode zwischen Behälter und Heizplatte,
b) die gleichzeitige Beendigung von Heiz- und Anlageperiode,

c) die völlige Trennung von Heizplatte und Behälter, und

d) die Kontaktverbesserung zwischen Behälter und Heizplatte.

Durch diese Merkmale wird beim Erhitzen ein Schutz empfindlicher Behälter, wie dünnwandige Kunststoffoder Metallfolienbehälter, in bisher nicht erzielbarer Weise erreicht.

Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Heizvorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig.2 einen Axialschnitt eines Getränkebehälters, der durch die in F i g. 1 dargestellte Heizvorrichtung erwärmt werden soll,

Fig.3 einen Längsschnitt längs der Linie 111-1II in Fig. 1,

Fig.4 einen der Darstellung nach Fig.3 ähnlichen Längsschnitt wobei die Heizvorrichtung in Betrieb dargestellt ist,

F i g. 5 einen Querschnitt einer Einzelheit der F i g. 3 und 4 im vergrößerten Maßstab, und

F i g. 6 ein Blockschaltbild für die in F i g. 1 dargestellte Heizvorrichtung.

Gemäß F i g. 1 weist die Heizvorrichtung sin Gehäuse 5 mit einer ebenen Fläche 2 auf, die mit einer öffnung 3 versehen ist, die so angepaßt ist, daß sie mit einer C-förmigen oder gabelförmigen Halterung 4 einen becherförmigen Behälter 5 für eine Flüssigkeit, in diesem Fall ein Getränk 7, aufnehmen kann. Der in F i g. 2 dargestellte Behälter 5 besteht aus einem thermoplastischen Material und ist durch einen Metalldeckel 6 luftdicht verschlossen. Der Behälter 5 muß in der umgedrehten Lage in der Halterung 4 untergebracht werden, so daß das darin enthaltene Getränk 7 während der gesamten Zeit, während der es erwärmt wird, in Kontakt mit dem Metalldeckel 6 bleibt

Die Halterung 4 bildet ein Ende des Hebels 8, dessen gegenüberliegendes Ende an einem Träger 9 befestigt ist, der starr an einer Halterplatte 10 aus einem Kunststoff material angebracht ist, das unter der Handelsbezeichnung »Vetronite« bekannt ist. Der Träger 9 hält die C-förmige Halterung 4 im wesentlichen in einer horizontalen Lage während des betriebslosen Zustandes der Vorrichtung.

Die Halteplatte 10 trägt eine gedruckte Schaltung und ist am Gehäuse 1 fest angebracht. Die Platte 10 trägt weiterhin einen becherförmigen Behälter 11 aus einem Metall, in dem drei Federn 12 aufgenommen sind, die eine elektrische Widerstandsheizung 13 tragen. Die Widerstandsheizung 13 befindet sich unter der C-förmigen Halterung 4 und wird über zwei Leitungen 14 i.iit Strom versorgt

Ein Elektromagnet 15 wird gleichfalls durch die Halterplatte 10 gehalten und ist so ausgebildet, daß seine Polstücke 16 auf zwei Arme 8a einwirken können, die vom Hauptkörper des Hebels 8 aus quer verlaufen. Ein Hauptmikroschalter 17, der als Schließer ausgebildet ist, liegt zwischen den nicht dargestellten Energieversorgungsleitungen und einer elektronischen Steuerung 18, die so ausgebildet ist daß sie die Stromversorgung für die Widerstandsheizung 13 und das Erregen des Elektromagneten 15 steuert

Wenn die Vorrichtung benutzt werden soll, wird der Hebel 8 durch den Träger 9 in seiner horizontalen Ruhestellung gehalten.

Wenn ein nach unten gerichteter Druck auf einen umgedrehten Behälter 5, der sich in der C-förmigen Halterung 4 (Fig.2) befindet ausgeübt wird, der die mechanische Gegenkraft des Trägers 9 überwindet, wird die Halterung 4 etwas nach unten gedrückt, wodurch der Metalldeckel 6 des Behälters 5 mit der Widerstandsheizung 13 in Kontakt gebracht wird.

Die Widerstandsheizung 13, die vollständig mit einem Überzug versehen bzw. verkleidet ist, ist in Form einer plan-konvexen Linse geformt, wobei die konvexe Seite 19 oben liegt Die Federn 12 drücken die Heizung 13 in einen engen Kontakt mit der gesamten Oberfläche des Metalldeckels 6, so daß sie sich an jede Veränderung des Deckels anpaßt, die eine Folge der Erwärmung des Deckels sein kann.

Die konvexe Seite 19 der Widerstandsheizung 13, die aus einem Metall besteht (Fig.5) und als Heizfläche wirkt, ist in einem thermischen Kontakt mit einem Heizelement 191 aus Nickeldraht angeordnet (F i g. 3).

Das Heizelement 191 ist spiralförmig auf einen isolierenden Träger 192 gewickelt und in ein glasartiges Kunstharz eingebettet, wobei die Stromversorgung über Leitungen 14 erfolgt die aus der ebenen Unterseite 193 der Widerstandsheizung 13 austreten.

Wenn der Behälter 5 in die Lage, in der er erwärmt wird, herabgedrückt wird, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, schließt der Hebel 8 den Hauptmikroschalter 17, so daß die Energieversorgung mit der elektronischen Steuerung 18 verbunden wird und Strom für die Widerstandsheizung 13 und Erregerstrom für den Elektromagneten 15 liefert

Wenn der Elektromagnet 15 erregt wird, wirkt er auf die Arme 8a des Hebels 8, so daß der Hebel in der herabgedrückten Lage gehalten wird, bis der Elektromagnet durch die elektronische Steuerung 18 am Ende der Erwärmungszeit entregt wird. Wenn der Elektromagnet entregt wird, kehrt der Hebel 8 in seine ursprüngliche Ruhestellung zurück, so daß sich der Mikfoschalter 17 wieder öffnen kann, um die Energieversorgung von der elektronischen Steuerung 18 zu trennen, die anschließend die Stromversorgung für die Widerstandsheizung 13 unterbricht

Fig.6 zeigt schematisch das Schaltbild der elektrischen Steuerung 18. Die Steuerung 18 enthält eine Wheatstone'sche Brücke 20, deren einer Zweig, in dem die Widerstandsheizung 13 liegt, gegenüber einem zweiten Zweig abgeglichen ist, der einen Widerstand 21 enthält, der in Reihe zur Widerstandsheizung 13 geschaltet ist. Die Brücke 20 weist zwei Verhältniszweige auf, die jeweils einen festen Widerstand 22 und einen veränderbaren Widerstand 23 enthalten.

Zwei Energieversorgungsleitungen 24, 25, die jeweils mit den Eingangsklemmen 26, 27 der elektronischen Steuerung 18 verbunden sind, stehen mit der Wheatstone'schen Brücke 20 über einen Thyristor 28 in Verbindung, der einen Teil einer Stromregelschaltung 30 bildet, die in F i g. 6 innerhalb einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Die Regelschaltung weist einen ersten Steuerstromkreis 29 auf, der aus einem Unijunktiontransistor besteht, der als Impulsgenerator arbeitet.

Die Meßdiagonale der Wheatstone'schen Brücke 20 enthält eine Steuerschaltung 31, die gleichfalls einen Teil der Stromregelschaltung 30 bildet. Die Steuerungschaltung 31 besteht aus einem Differentialverstärker 32, dessen Ausgangssignal an einer Integratorschaltung 33 liegt, die mit einem ersten Schwellenwertkomparator 34 verbunden ist Das Ausgangssignal des ersten Schwellenwertkomparators 34 liegt am ersten Steuerstromkreis 29, der das Durchsteuern des Thyristors 28 steuert.

Der als Schließer ausgebildete Hauptmikroschalter 17 unterbricht die Energieversorgung für die elektronische Steuerung 18 während des betriebslosen Zustandes der Vorrichtung.

Eine Gleichrichterbrücke 35 ist über einen Triac 36 mit den Energieversorgungsleitungen 24, 25 verbunden und liegt mit ihrer gleichrichtenden Diagonale am Elektromagneten 15, der parallel zu einer Stabilisierungsdiode 37 geschaltet ist. Die Steuerelektrode 38 des Triacs 36 ist mit einer Zeitsteuerschaltung 39 verbunden, die in einer unterbrochenen Linie dargestellt ist und einen Sägezahnspannungsgenerator 40 aufweist, der über einen veränderbaren Widerstand 41 einstellbar ist. Der Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators 40 liegt an einem zweiten Schwellenwertkomparator 42, dessen Ausgang mit einem zweiten Steuerstromkreis 43 verHunden ist, der das Auslösen des Triac 36 steuert.

Ein Wechsel-Gleichstromwandler 44 ist mit den Energieversorgungsleitungen 24, 25 verbunden und liefert zwei stabilisierte und symmetrisierte Spannungen

28 Ol 713

+ V_c und - K- sowie eine nicht stabilisierte Spannung V_1x, die an den im vorhergehenden erwähnten Schaltungen 29, 32, 34, 40, 42 und 43 in der in F i g. 6 schematisch dargestellten Weise liegen.

Im folgenden wird die Arbeit der elektronischen Steuerung 18 beschrieben.

Wenn der Hauptmikroschalter 17 durch das Herabdrücken des Hebels 8 geschlossen wird, schaltet der Steuerstromkreis 43, ausgelöst durch die Spannung V_m die vom Wandler 44 geliefert wird, den Triac 36 durch, so daß folglich der Elektromagnet 15 durch den gleichgerichteten Strom erregt werden kann, der von der Gleichrichterbrücke 35 geliefert wird. Der erregte Elektromagnet 15 hält den Hebel 8 in der unteren Lage, wodurch der Hauptmikroschalter 17 geschlossen gehalten wird.

Gleichzeitig beginnt der Sägezahngenerator 40 damit, dem zweiten Schweilenwertkomparator 42 eine Spannung zu liefern, die linear mit der Zeit ansteigt. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer seit dem Augenblick, an dem der Hauptmikroschalter 17 geschlossen wurde, erreicht das durch den Sägezahngenerator 40 gelieferte Signal einen Spannungspegel, der den zweiten Schweilenwertkomparator schaltet, was dazu führt, daß der zweite Steuerstromkreis 43 des Triac 36 gesperrt ist.

Der Triac 36 wird somit gesperrt und die Gleichrichterschaltung 35 beendet die Versorgung des Elektromagneten 15, wobei nach dem Entregen desselben der Hebel 8 in seine Ruhestellung zurückkehrt, was dazu führt, daß der Hauptmikroschalter 17 sich wieder öffnet und die elektronische Steuerung 18 und die Widerstandsheizung 13 von der Energieversorgung abtrennt

Im folgenden wird nochmals auf den Anfangszeitpunkt eingegangen, an dem der Hauptmikroschalter 17 geschlossen wurde, um die Arbeitsweise der übrigen Bauteile der elektronischen Steuerung 18 an Hand von F i g. 6 näher zu beschreiben.

Der Thyristor 28, der durch den Steuerstromkreis 29 angesteuert wird, steuert durch, wodurch die Stromversorgung mit der Wheatston'schen Brücke 20 verbunden wird und folglich ein Strom der Heizung 13 zugeführt wird.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Heizung 13 eine Nennleistung im kalten Zustand von etwa 2 kW und die thermoelektrische Eigenschaft eines Widerstands mit positivem Temperaturkoeffizienten, so daß ihr Widerstandswert sehr deutlich mit der Temperatur zunimmt (5% Pro ⁰C).

Die durch die Stromregelschaltung 30 abgenommene Meßspannung über der Meßdiagonalen der Wheatstone'schen Brücke 20 zeigt daher die Temperatur an, die der Widerstand der Heizung 13 erreicht hat. Diese Meßspannung wird durch den Differentialverstärker 32 verstärkt und durch die Integratorschaltung 33 integriert und anschließend dem ersten Schweilenwertkomparator 34 zugeführt, der aufhört, den Steuerstromkreis 29 zu versorgen, wenn die Spannung an seinem Eingang einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, was dazu führt, daß der Thyristor 28 gesperrt wird und folglich die Stromversorgung für die Heizung 13 abschaltet

Die Stromversorgung für die Widerstandsheizung 13

wird automatisch alle fünf Zyklen durch eine Zyklussteuereinrichtung wieder eingeschaltet, so daß die oben erwähnte Meßspannung, die am Eingang der Regelschaltung 30 liegt, periodisch die Temperatur des Widerstands der Heizung 13 anzeigt.

Die Steuerschaltung 31 erreicht auf diese Weise eine Proportional-lntegral-Regelung des Meßsignals, das von der Meßdiagonalen der Wheastone'schen Brücke 20 geliefert wird, indem abwechselnd die Stromversor gung für die Heizung 13 an-und abgeschaltet wird.

Auf diese Weise liegt die Temperatur der Widerstandsheizung 13 nach einer anfänglichen Übergangszeit fest innerhalb eines ausreichend engen Bereiches, und kann durch den veränderbaren Widerstand 23 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Dieser Temperaturbereich, der um 350⁰C herum liegt, ist ausreichend, um das Getränk 7, das im Behälter 5 enthalten ist, in dem durch die Zeitsteuerung 39 gegebenen Zeitintervall von beispielsweise etwa 45 bis 50 Sekunden bei einer normalen Portion Kaffee auf etwa 50⁰C zu erwärmen, ohne den Metalldeckel 6 oder den Behälter 5 zu beschädigen.

Am Ende des Zeitintervalls, das durch die Zeitsteuerung 39 gegeben ist, gibt der zweite Steuerstromkreis 43 gleichfalls einen Sperrbefehl dem ersten Steuerstromkreis 29, wodurch zwangsweise der Thyristor 28 geöffnet wird und die Wheatstone'sche Brücke 20 und die Heizung abgetrennt werden.

Die F i g. 8 und 9 lassen erkennen, daß in einem ersten

Heizabschnitt, der im dargestellten Beispiel bei 5 Sekunden endet, durch das Betriebsverhalten des Heizwiderstands mit positivem Temperaturkoeffizienten eine sehr große Leistungsspitze zugeführt wird, die zu einem sehr raschen Temperaturanstieg der zu erwärmenden Flüssigkeit führt Nachdem in diesem Bereich die Flüssigkeit bereits erheblich aufgeheizt wurde, erfolgt die weitere Erwärmung der Flüssigkeit auf die gewünschte Temperatur mittels einer Vielzahl von Heizintervallen, um jedesmal eine Abschaltung der Heizleistung zu erzielen, wenn das Heizelement die zulässige Höchsttemperatur überschreitet Dieser aus periodischen Ein- und Ausschaltungen bestehende Heizbereich ist bezogen auf die Zeitachse größer als in der Zeichnung dargestellt, wobei die Kompression zur zeichnerischen Darstellung durch die strichpunktierten vertikalen Linien angedeutet wurde.

Der in der Brückenschaltung angeordnete veränderbare Widerstand 23 gestattet es, die Zeitdauer der anfänglichen Aufheizperiode mit hoher Heizleistung

so veränderlich zu machen und sie damit an unterschiedliche Behälter anzupassen.

Der Thyristor 28 leitet solange, bis das dem Schweilenwertkomparator 34 zugeführte Signal einen vorgegebenen Wert erreicht, der dem maximalen ohmschen Wert D des Heizwiderstands 13 entspricht, dessen Verlauf aus F i g. 7 ersichtlich ist

Der als Integrator arbeitende Spannungsgenerator 40 erzeugt ein kontinuierlich ansteigendes Gleichstzromsignal, wobei der Widerstand 41 eine Einstellung der Zeit gestattet in der dieses Signal einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Triac 36 gesperrt wird, wodurch der Elektromagnet 15 stromlos wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von zum unmittelbaren Verzehr bestimmten Flüssigkeiten in einem Behälter, mit einer elektrischen Heizplatte, die einen Heizwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einer Einrichtung zum Anheben des Behälters von der Heizplatte bei Erreichen einer vorgegebenen gewünschten Temperatur der Flüssigkeit und zur Einflußnahme auf die Stromversorgung nach Erreichen der gewünschten Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung aus einer Zeitsteuerung (39) besteht, die die Gesamtheizdauer für die Heizplatte festlegt und nach Ablauf derselben einen elektronischen Temperaturregler (30, 20) stromlos macht, sowie gleichzeitig die Einrichtung zum Anheben des Behälters betätigt, die eine gegen die Kraft eines Elektromagneten (15) wirkende Feder (9) aufweist, die auf eine gabelförmige oder C-förmige Halterung für den Behälter einwirkt und bei Stromloswerden des Elektromagneten den unter seiner Magnetwirkung vorhandenen Kontakt zwischen Behälter und Heizplatte völlig löst.

2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuerung (39) auf die Regelschaltung (30) einwirkt, welche über eine Diode (28) die Stromzufuhr zur Wheatstone-Brückenschaltung (20) unterbricht.