DE4401670C2 - Anordnung zum Steuern der Heizenergiezufuhr zu den Heizwicklungen eines elektrischen Durchlauferhitzers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Heizwicklungen elektrischer Durchlauferhitzer werden über Schließkontakte mit Strom versorgt. Die Betätigung der Kontakte erfolgt erst bei Überschreiten einer vorgegebenen Durchflußmenge, d. h. einer vorgegebenen Wasserentnahme, mit Hilfe einer Spulenanordnung, die die Kontakte mechanisch schließt. Die Heizleistung ist so gewählt, daß die Fluidtempe­ ratur bei normalem Betrieb einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigen kann. Spulenbetätigte Schalter sind bekanntlich störanfällig. Insbesondere können die von den Spulen angezoge­ nen Anker auch nach Spulenentregung in der angezogenen Stellung "kleben" bleiben, so daß die Heizenergiezufuhr unverändert auf­ rechterhalten bleibt, obwohl der Strömungswächter die Reduzie­ rung der Wassermenge, u. U. sogar ruhendes Fluid, signalisiert.

Aus der DE 41 42 838 A1 ist eine Anordnung der eingangs genannten Art mit einer Sicherheitseinrichtung bekannt, bei der sowohl der Strömungswächter als auch eine die Energiezufuhr zu den Heizwicklungen erfassende Fühlereinrichtung mit einer Auswerteschaltung verbunden sind. Bei Unterschreitung einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit und Aufrechterhaltung der Energiezufuhr nach Ablauf einer Zeitschaltung wird die Energiezufuhr unterbrochen.

Aus der DE 41 03 373 A1 ist eine Anordnung ähnlicher Art bekannt, bei der ein Einschalten der Heizkörper verhindert wird, wenn ein durchflußabhängiges Signal als Abschaltsignal für die Heizkörper vorliegt und an wenigstens einem der Heizkörper das Netzspannungspotential ansteht. Die bisher zur Betätigung von Sicherheitsstellgliedern verwendeten beweglichen Leitungskomponenten und Schaltglieder arbeiten nicht ohne Probleme bzw. sind bei entsprechender Zuverlässigkeit mit relativ hohen Kosten behaftet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß die Anzahl der beweglichen und damit störanfälligen Leitungskomponenten verringert und die Zuverlässigkeit der Heizenergieunterbrechung entsprechend erhöht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung sorgt für eine äußerst hohe Reaktionsschnelligkeit beim Unterbrechen der Heizenergiezufuhr im Störungsfall. Anders als beim Stande der Technik braucht weder ein starker Druckanstieg als Folge einer überhöhten Wassertemperatur noch eine voreingestellte Todzeit abgewartet zu werden. Die unmittelbare Abtastung des elektrischen Potentials der Heizwicklungen bewirkt eine sofortige Abschaltung, wenn die Heizwicklungen bei ruhendem Fluid mit Strom beaufschlagt werden. Es kommt daher zu keinem durch Überhitzung bedingten Druckanstieg.

Die Regelantwort der vom Strömungswächter gesteuerten ersten Schaltmittel wird ständig überprüft. Ein weiterer großer Vorteil liegt in den geringen Installations- und Betriebskosten der erfindungsgemäßen Sicherheitsschalteinrichtung. Die Potentialabtastung erfolgt durch einfache elektrische Mittel; die Verarbeitung der abgetasteten Signale läßt sich problemlos und mit geringem Mehraufwand in die bei modernen elektrischen Durchlauferhitzern ohnehin vorhandene Steuerelektronik einbinden. Die Funktion der zweiten Schaltmittel ist unabhängig von derjenigen der ersten Schaltmittel. Die Zuordnung der beiden beweglichen Kontakten zu einer einzigen beweglichen Leitungsbrücke erhöht die betriebliche Zuverlässigkeit der Sicherheitseinrichtung bei minimalem baulichen Aufwand.

Eine Verbesserung der Sicherheitsfunktion der erfindungsge­ mäßen Anordnung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung da­ durch erreichen, daß die zweiten Schaltmittel mit einem Über­ temperatursensor gekoppelt sind, der die zweiten Schaltmittel unter Unterbrechung der Heizenergiezufuhr betätigt, wenn die Fluidtemperatur einen voreingestellten Grenzwert überschreitet.

Die den Schaltmitteln zugeordneten Stellglieder lassen sich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch be­ sonders einfach gestalten, daß die ersten und zweiten Schalt­ mittel jeweils bewegungsgekoppelte mehrphasige Schaltkontakte betätigen und daß jeder Schaltkontakt der ersten Schaltmittel in Reihe mit einem Schaltkontakt der zweiten Schaltmittel im Stromversorgungskreis wenigstens einer Heizwicklung angeordnet ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der wesentlichen elektrischen Komponenten eines elektrischen Durchlauferhitzers mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine dreiphasige Schaltkon­ taktanordnung zum Schalten der Heizenergiezufuhr bei der Anordnung gem. Fig. 1; und

Fig. 3 eine Seitenansicht der Schaltanordnung gem. Fig. 2.

Das Schaltbild gemäß Fig. 1 zeigt alle wesentlichen elek­ trischen Komponenten eines elektronisch gesteuerten Durchlauf­ erhitzers, bei dem die Erfindung implementiert ist.

Der Heizstrom fließt aus den drei Netzphasen L1, L2, L3 über eine erste Schalterbank 11 mit drei Schließkontakten, eine zweite Schalterbank 12 mit drei Öffnerkontakten, eine Heizkör­ peranschlußanordnung 13, eine Steuereinrichtung 2 mit einer die Stromphasen einzeln und stufenlos steuernden Steuerelektronik mit Triac-Anordnung in Heizwicklungen bzw. -körper 1a, 1b, 1c. Eine weitere Heizwicklung 1d liegt direkt zwischen den Phasen L1 und L2.

In der Steuereinrichtung 2 sind alle Steuer- und Schalt­ funktionen des Durchlauferhitzers vereinigt.

Ein kontinuierlich arbeitender Strömungssensor 21 gibt ein vom Volumenstrom des Fluids beim Durchströmen des Durchlaufer­ hitzers abhängiges Signal an einen Meßmodul 22. Ein von außen zugänglicher Sollwertsteller 23 dient der Einstellung der ge­ wünschten Wassertemperatur für das betriebliche Ein- und Aus­ schalten der Stromzufuhr zu den Heizwicklungen 1a bis 1d. Fer­ ner ist ein die Fluid-Eintrittstemperatur erfassender Tempera­ tursensor 24 mit dem Meßmodul 22 gekoppelt. Der Meßmodul 22 ist mit einem Strömungsschaltgeber 25 gekoppelt. Der Strömungs­ schaltgeber 25 steuert bei einem voreingestellten Volumenstrom- Schwellwert, beispielsweise beim Anstieg der Wasserentnahme über 3,5 l/min, eine Spule 14 an, die die erste Schalterbank 11 betätigt. Dadurch werden die Heizwicklungen 1a bis 1c in Abhän­ gigkeit der strömungsabhängig gesteuerten Triac-Anordnung 20 mit Heizenergie versorgt. Sinkt der Volumenstrom unter einen zweiten Schwellwert, der bei einem praktischen Ausführungsbei­ spiel bei 3,0 l/min liegt, so wird die Spule 14 vom Strömungs­ schaltgeber 25 entregt, und alle Schaltkontakte der ersten Schalterbank 11 öffnen.

Ein Sicherheitsschaltgeber 26 kann über eine zweite Betäti­ gungsspule 16 die zweite Schalterbank 12 betätigen. Letztere besteht bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus drei be­ wegungsgekoppelten Öffnerkontakten 12a, 12b und 12c. Bei Erre­ gung der Betätigungsspule 16 und der Öffnerkontakte 12a . . . 12c wird die Stromversorgungsleitung für alle Heizkörper 1a . . . 1d unterbrochen und alle Heizwicklungen werden stromlos.

Der Sicherheitsschaltgeber 26 verfügt über eine Potential­ abtasteinrichtung, die an den Punkten 31, 32 und 33 mit den An­ schlüssen aller Heizwicklungen 1a, 1b oder 1c (damit auch mit 1d) gekoppelt ist. Die dem Sicherheitsschaltgeber zugeordnete Potentialmeßeinrichtung überwacht daher laufend das Potential an den Heizwicklungs-Anschlußstellen. Über eine Leitung 27 steht der Sicherheitsschaltgeber 26 auch mit dem Meßmodul 22 und über diesen mit dem Strömungssensor 21 in Verbindung. Die Sicherheitsfunktion des Sicherheitsschaltgebers 26 besteht darin, im Zusammenwirken mit der Betätigungsspule 16 und den Öffnerkontakten 12a, . . . 12c für eine Unterbrechung der Heiz­ energiezufuhr zu sorgen, wenn die Wasserentnahme unterbrochen ist oder einen Minimalwert unterschreitet und trotzdem an we­ nigstens einer der Anschlußstellen 31 bis 33 ein elektrisches Potential erfaßt wird. Ein solches elektrisches Potential wäre nämlich ein unverkennbares Zeichen dafür, daß mindestens einer der Schließkontakte der ersten Schalterbank 11 geschlossen ist und dementsprechend mindestens eine Heizwicklung bzw. ein Heiz­ körper 1a, . . . 1d unter Strom steht. Es ist klar, daß der Si­ cherheitsschaltgeber 26 äußerst rasch anspricht, und zwar zu­ verlässig bereits dann, wenn die Störung durch Beheizen des Fluids bei zu niedrigem Volumenstrom oder Unterbrechung der Strömung im Durchlauferhitzer soeben erst eingetreten ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Übertemperatursensor und Schalter 28 vorgesehen, der die Fluidtemperatur hinter den Heizkörpern 1a, . . . 1d überwacht. Bei einer Übertemperatur gibt der Modul 28 an den Sicherheits­ schaltgeber ein Störsignal, das ebenso wie bei einer Fehlfunk­ tion in den ersten Schaltmitteln 11, 14 eine Sicherheitsab­ schaltung über die Spule 16 und die zweite Schalterbank 12 be­ wirkt. Diese Abschaltfunktion ist von anderen Bedingungen im gesamten elektronischen System unabhängig; denn es muß unter allen Umständen vermieden werden, daß der Benutzer überhitztes Wasser zapft.

Der Meßmodul 22 erzeugt, wie gesagt, ein Signal für die beiden Schaltgeber 25 und 26 in Abhängigkeit vom Über- oder Un­ terschreiten der Wasserentnahme-Schwellwerte. Steht dieses Si­ gnal auf der Leitung 27 am Eingang des Sicherheitsschaltgebers 26 an, sind Potentiale bzw. Spannungsdifferenzen an den Poten­ tialabtaststellen 31, 32 und 33 betriebsnotwendig. Eine An­ steuerung der Betätigungsspule 16 darf nur erfolgen, wenn gleichzeitig mit dem Anstehen eines Potentials an wenigstens einer der Abtaststellen 31 bis 33 kein Signal auf der Leitung 27 erfaßt wird. Diese Bedingung läßt sich durch einen in den Sicherheitsschaltgeber 26 integrierten oder diesem vorgeschal­ teten Inverter in Verbindung mit einem UND-Verknüpfungsglied realisieren, wobei dem wenigstens einen anderen Eingang des UND-Verknüpfungsgliedes die digitalisierten Abtastwerte an den Abtaststellen 31 . . . 33 zugeführt werden. Der Ausgang des UND- Verknüpfungsgliedes wird an einen Eingang einer ODER-Verknüp­ fung angelegt, deren anderer Eingang mit dem digitalisierten Ausgangssignal des Übertemperatursensors und -schalters 28 ge­ koppelt ist. Für den Fachmann ist klar, daß zahlreiche andere, sowohl analoge als auch digitale Schaltungen zur Realisierung der zuvor beschriebenen Schaltfunktion verwendet werden können.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird im folgenden eine besonders vorteilhafte Schalteranordnung beschrieben, in der die beiden Schalterbänke 11 und 12 zusammengefaßt sind.

An der Trägerplatte 4 sind die ersten und zweiten Schalter­ bänke 11 und 12, die diese betätigenden Spulen 14 und 16, die Phasen- und Schutzleiteranschlüsse 41a, 41b, 41c und 41d und die als Steckverbinder ausgebildeten Heizkoppleranschlüsse 13a, 13b und 13c angeordnet. Die Trägerplatte 4 ist über geeignete Anschlußelemente 42 mit der in der Zeichnung nicht dargestell­ ten Grundplatte oder dem Gehäuse des Durchlauferhitzers lösbar verbunden.

Sowohl die erste Spule 14 als auch die zweite Spule 16 be­ tätigt alle Kontakte der ihr zugeordneten Schalterbank 11 bzw. 12. Es genügt daher, den Aufbau und das Bewegungsspiel der er­ sten und zweiten Schaltanordnungen 11, 14 und 12, 16 anhand von Fig. 3 zu beschreiben. Diese stellt jeweils nur einen Schalt­ kontakt 11b bzw. 12b) der beiden Schalterbänke 11 und 12 sowie die am Bewegungsspiel der beweglichen Kontakte beteiligten Kom­ ponenten dar.

Fig. 3 zeigt die Schaltanordnung im normalen, d. h. stö­ rungsfreien Betriebszustand. Die Wasserentnahme übersteigt da­ bei den die Erregung der Spule 14 und damit das Schließen der Schalterbank 11 auslösenden voreingestellten Schwellwert (Sollwertsteller 23 in Fig. 1). Strom fließt über den geschlos­ senen Kontakt 11b zum nachgeschalteten Heizkörper. Die Kontakt­ betätigung erfolgt von der Spule 14 über den Spulenanker 15 und einen aus einem isolierenden Werkstoff-bestehenden Schieber 17, der das Widerlager für eine Andruckfeder 18 bildet. Die Feder 18 drückt eine Zunge 50 aus leitendem Material gegen eine zum Schieber gehörige Schulter 19. Eine relativ starke Druckfeder 43 sucht den Schieber 17 aus der in Fig. 3 dargestellten Schließstellung in die Offenstellung des Schaltkontakts 11b zu bewegen, wobei der Anker 15 vom Kern der Spule 14 abgehoben wird. Die Federvorspannung läßt sich durch eine Justierschraube 44 einstellen.

Mit Ausnahme eines Störfalles befindet sich die zweite Schalteranordnung 12, 16 in der in Fig. 3 dargestellten Ruhe­ stellung, bei der die Öffnerkontakte 12b geschlossen sind. Als Stellglied für die Schalterbank 12 dient ein Schieber 45, der in der in Fig. 3 dargestellten Position durch einen Riegel 46 entgegen der Kraft einer Druckfeder 47 arretiert gehalten wird. Vorspannung und Hub der Feder 47 sind ebenfalls über eine Ju­ stierschraube 48 einstellbar. Der Riegel 46 wird durch eine Feder 49 in der in Fig. 3 dargestellten Verriegelungsstellung gehalten. Bei Erregung der Spule 16 wird der zugehörige Anker 16a vom Spulenkern angezogen, schwenkt aus und verschiebt den Riegel 46 in Richtung des Pfeils A, d. h. entgegen der Wirkungs­ richtung der Feder 49. Bei einem vorgegebenen Bewegungshub des Riegels 46 in Richtung des Pfeils A gelangt eine im Riegel 46 ausgebildete Vertiefung 60 in Ausrichtung mit einer Rastnase 61 des Schiebers 45. Dadurch wird der Schieber 45 aus der in Fig. 3 dargestellten Arretierungsstellung soweit freigegeben, daß er unter Wirkung der kräftigen Öffnungsfeder 47 in Richtung des Pfeils B verschoben werden kann. Der Bewegungshub in Richtung des Pfeils B reicht aus, um den Kontakt 12b zuverlässig zu öff­ nen. Dadurch ist der Leitungsweg vom Netzanschluß 41b über eine im wesentlichen stationäre Kontaktzunge 51, den beweglichen Kontakt 11b, die Kontaktzunge 50 und einen festen Kontakt 52 als Heizkörperabgang im Bereich des Kontakts 12b unterbrochen.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist die Kontaktzunge 50 als be­ wegliche Leitungsbrücke ausgebildet, welche die beiden Schalter 11b und 12b miteinander verbindet und gleichzeitig die bewegli­ chen Kontaktelemente für diese beiden Schalter bildet. Beide Schalter 11b und 12b können unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. In Längsrichtung ist die Leitungsbrücke bzw. Kontaktzunge 50 über den Schieber 45 gehaltert. Im Schie­ ber 17 ist die Kontaktzunge 50 dagegen nur seitlich und in Kon­ taktrichtung geführt. Diese Anordnung gewährleistet in beson­ ders vorteilhafter Weise ein genau voreinstellbares und prak­ tisch unabhängiges Bewegungsspiel der beiden beweglichen Kon­ takte 11b und 12b und andererseits eine geringe Störanfällig­ keit und Kompaktbauweise, da nur ein bewegliches Element pro Phase vorgesehen ist. Da beide Schieber 17 und 45 aus elek­ trisch isolierendem Material bestehen, können die den Phasen L1, L2 und L3 bzw. deren Anschlüssen 41a, 41b und 41c zugeord­ neten Leitungsbrücken bzw. Kontaktzungen 50 über die Schieber 17 und 45 bewegungsgekoppelt sein.

Wie oben gesagt, wird die Spule 16 nur dann erregt und die von ihr betätigten Sicherheitsschaltkontakte 12a, . . . 12c geöff­ net, wenn an den Potentialabtaststellen 31 bis 33 ein Potential festgestellt wird, obwohl das im Durchlauferhitzer befindliche Fluid strömungslos ist bzw. eine Wassermenge unterhalb des un­ teren Schwellwerts festgestellt wird. Dies ist ein Störfall, der zur Abschaltung aller Heizkörper führen muß. Wie aus Fig. 3 ohne weiteres zu sehen ist, kann sich die Sicherheitsschaltan­ ordnung 45, . . . 49 nach einer Sicherheitsabschaltung nicht auto­ matisch entriegeln. Der Durchlauferhitzer kann daher nur dann wieder in Betrieb genommen werden, wenn die die Sicherheitsab­ schaltung auslösende Störung beseitigt und der Schieber 45 durch Betätigung eines Tasterkopfs 45a in Richtung B von Hand wieder in die in Fig. 3 dargestellte Position gebracht wird.

Claims (8)

1. Anordnung zum Steuern der Heizenergiezufuhr zu den Heizwicklungen eines elektrischen Durchlauferhitzers mit einem Strömungswächter (21 . . . 23), der über erste Schaltmittel (11, 14, 25) die Heizenergiezufuhr in Abhängigkeit von einer Fluid­ strömung steuert, ferner mit Mitteln (31 . . . 33) zur Abtastung des elektrischen Potentials der Heizwicklungen (1a . . . 1d) und mit der Unterbrechung der Heizenergiezufuhr zu den Heizwicklungen dienenden zweiten Schaltmitteln (12, 16, 26), die mit den Potential-Abtastmitteln und dem Strömungswächter gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet
daß die zweiten Schaltmittel die Heizenergiezufuhr zu den Heizwicklungen dann unterbrechen, wenn an den Heizwicklungen ein elektrisches Potential abgetastet wird, während der Volu­ menstrom des Fluids einen vorgegebenen Minimalwert unterschrei­ tet;
daß den ersten Schaltmitteln (11, 14, 25) Schließkontakte und den zweiten Schaltmitteln (12, 16, 26) im Stromkreis der Heizwicklungen (1a . . . 1d) angeordnete gesonderte Öffnerkontakte (12a, 12b, 12c) zugeordnet sind;
daß eine bewegliche Leitungsbrücke (50) zwei bewegliche Kontakte trägt, von denen einer (11b) von den ersten Schaltmitteln (14, 25) und ein zweiter (12b) von den zweiten Schaltmitteln (16, 26) betätigbar ist; und
daß die ersten und zweiten Schaltmittel jeweils eine Betätigungsspule (14 bzw. 16) aufweisen, die einen Riegel (46) und/oder Schieber (17) betätigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltmittel (12, 16, 26) mit einem Über­ temperaturgeber (28) gekoppelt sind, der die zweiten Schaltmit­ tel unter Unterbrechung der Heizenergiezufuhr betätigt, wenn die Fluidtemperatur einen voreingestellten Grenzwert über­ schreitet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Schaltmittel (12, 16, 26) eine Steuerlogik mit einer UND-Verknüpfung für die Signale der Ab­ tastmittel (31, 32, 33) und des Strömungswächters (21, . . . 23) aufweisen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik eine ODER-Verknüpfung enthält, deren Eingänge mit dem Ausgang der UND-Verknüpfung und dem Übertemperaturgeber (28) gekoppelt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweiten Schaltmittel bei Aktivierung einen Riegel (46) betätigen, der wenigstens einen federbelaste­ ten Öffnerkontakt (12b) freigibt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schaltmittel jeweils mehrphasige, bewegungsgekoppelte Schaltkontakte (11, 12) betäti­ gen und daß jeder Schaltkontakt (11b) der ersten Schaltmittel in Reihe mit einem Schaltkontakt (12b) der zweiten Schaltmittel im Stromversorgungskreis wenigstens einer Heizwicklung (1b) an­ geordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsbrücken (50) aller geschalteten Heizwicklungsphasen bewegungsgekoppelt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten und zweiten Schaltmitteln zugeordneten Kontakte (11b, 12b) mit einstellbarer Federkraft jeweils in die Öffnungsstellung gedrängt sind.