DE69016363T2 - Elektrische Strahlungsheizgeräte. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Strahlungsheizgeräte und insbesondere auf Heizgeräte, die eine Infrarotquelle, wie z.B. eine Infrarotlampe oder einen Molybdändisilizid-Glühfaden, enthalten.
• Elektrische Strahlungsheizgeräte, die Infrarotlampen enthalten, sind z.B. in den Patentbeschreibungen EP 0 117 346 und GB 2 146 431 beschrieben. Derartige Heizgeräte sind typischerweise in Kochern und Herdplatten mit einer flachen Kochflache aus Glaskeramik enthalten. Die verwendete Lampenart umfaßt einen Wolframglühfaden, der im Innern einer rohrförmigen Umhüllung aus Quarzglas gehalten wird, wobei elektrische Verbindungen durch hermetische Klemmabdichtungen an den Enden der Umhüllung nach außen gefiihrt sind. Die Lampen werden in einer Metallschale oberhalb einer Schicht aus thermischem Isoliermaterial gehalten, das in der Schüssel verdichtet ist. Es wurde auch vorgeschlagen, freiliegende Molybdändisilizid-Glühfläden anstelle von Lampen zu verwenden.
• Wegen des hohen Widerstand-Temperaturkoeffizienten von Wolfram und Molybdändisilizid kommt es zu einem großen Stoßstrom oder Einschaltstrom, wenn die Glühfäden erstmals mit Energie beaufschlagt werden und bis ihr Widerstand seinen Arbeitswert erreicht hat. Um diesen Einschaltstrom zu verringern, z.B. um Vorschriften über Störungen an Stromversorgungen gerecht zu werden, ist es bekannt, einen Stoßstrom-Begrenzungs- oder Ballastwiderstand mit dem Glühfaden in Serie zu schalten. Dieser Widerstand kann die Form eines gewickelten, freiliegenden Drahtwiderstandselements haben, das auf der Isolierschicht in der Schale gehalten wird und die durch den Glühfaden bereitgestellte Wärmeenergie erhöht.
• Aus EP 0 235 895 ist es z.B. auch bekannt, eine Schaltervorrichtung bereitzustellen, welche den Ballastwiderstand kurz nach der Energiebeaufschlagung des Glühfadens entfernt oder verringert.
• Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein elektrisches Strahlungsheizgerät bereitgestellt mit einer Schicht aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial; einer Wand aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial, das sich über der Schicht aus Isoliermaterial erstreckt; mindestens einer Infrarot-Quelleneinrichtung (z.B. eine Infrarotlampe) mit einem relativ hohen Widerstand-Temperaturkoefizzienten; und Widerstandseinrichtungen, die so angeordnet sind, daß sie vorübergehend mit der Quelleneinrichtung nach deren Beaufschlagung mit Energie in Serie zwischengeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung unter der Wand angeordnet ist.
• Das Heizgerät kann eine einzelne Infrarotlampe oder eine andere Quelleneinrichtung oder mehr als eine solche Quelle besitzen. Eine zweite Widerstandseinrichtung kann mit der Quelleneinrichtung ständig in Serie geschaltet sein.
• Elektrische Strahlungsheizgeräte in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Verwendung in einem Kocher mit einer Glaskeramikplatte werden nun mittels eines Beispiels anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, wobei:
• Fig. 1 eine Draufsicht des ersten Heizgerätes ist;
• Fig. 2 eine Schnittansicht des Heizgeräts von Fig. 1 entlang der Linie A - A ist;
• Fig. 3 ein schematisches Schaltbild ist, welches das Heizgerät von Fig. 1 und dazugehörende Bestandteile zeigt;
• Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Heizgerats und dazugehörender Bestandteile ist; und
• Fig. 5 und 6 schematische Schaltbilder sind, die Abwandlungen der Anordnungen von Fig. 3 zeigen.
• In Fig. 1 und 2 besitzt ein elektrisches Strahlungsheizgerät 10 einen Behälter in Form einer Metallschale 12 mit einem aufrechten Rand 14, die eine Schicht aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial 16 enthält. Dieses Material ist z.B. eine mikroporöse Isolierung, die ein hochdispergiertes Siliziumdioxidpulver, wie z.B. Siliziumdioxid- Aerogel oder pyrolytisches (geräuchertes) Siliziumdioxid aufweist, und zwar gemischt mit einer Faserverstärkung, einem Titandioxidtrübungsmittel und einer kleinen Menge Aluminiumdioxidpulver, um einem Schrumpfen zu widerstehen, und das in die Schale 12 hineingedrückt ist. Eine ringförmige Randwand 18 aus keramischer Faser erstreckt sich um die Innenseite des Rands 14 der Schale 12 auf der Schicht 16 herum und ragt geringfügig über die Kante des Randes 14 hinaus. Wenn sie in einem Kocher mit einer Platte aus Glaskeramik installiert wird, wird die Randwand 18 gegen die Unterseite der Kochfläche aus Glaskeramik gedrückt, wie in Fig. 2 bei 20 gestrichelt gezeigt, wobei das Heizgerät 10 durch eine Feder oder eine andere Montiervorrichtung (nicht gezeigt) in seiner Position gehalten wird.
• In dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel sind zwei Warmequellen in Form von Wolfram-Halogen-Infrarotlampen 22 und 24 bereitgestellt, doch sollte betont werden, daß die Erfindung ebenfalls für Heizgerate mit nur einer solchen Quelle oder mit mehr als zwei eingesetzt werden kann. Die Lampen 22 und 24 haben allgemein eine kreisförmige Gestalt und sind konzentrisch angeordnet, und jede enthält einen Wolframglühdraht 26, der näherungsweise axial von Abstandshaltern 28 innerhalb einer für Infrarot durchlässigen Umhüllung 30 aus Quarzglas gehalten wird. Diese Abstandshalter sind eng genug aneinander angeordnet, um jeden Glühdraht 26 in dem gewünschten Abstand von seiner Umhüllung 30 zwischen jedem Abstandshalterpaar 28 trotz der Krüinmung der Umhüllung 30 zu halten. Der Glühfaden 26 ist an jedem Ende mit Anschiüssen fest verbunden, die durch abgeflachte hermetische Klemmabdichtungen an den Enden der Umhüllung 30 herausgeflihrt sind. Diese Enden sind zueinander benachbart, und die Klemmabdichtungen erstrecken sich allgemein radial zu dem Heizgerät durch Vertieflingen hindurch, die an der Unterseite der Randwand 18 und in der Schicht 16 bereitgestellt sind, sowie durch Löcher in dem Rand 14 in der Schale 12.
• Die Oberfläche der Schicht 16 ist profiliert, wie in Fig. 2 gezeigt, um die Konzentration von Wärme an der Kochoberfläche 20 aus Glaskeramik unmittelbar über den Lampen 22 und 24 zu verringern, und um eine angemessene Dichte für die Schicht 16 beizubehalten. Somit befindet sich unterhalb der Lampe 22 eine kreisringförmige Vertiefung 32 und unter der Lampe 24 eine andere Vertiefung 34. Obwohl das Vorliegen dieser Vertiefiingen auch zur Verringerung der Gesamthöhe des Heizgeräts 10 beiträgt, ist es beachtlich breiter als für diesen Zweck allein nötig. Der mittige Bereich 36 der Schicht 16 innerhalb der Lampe 24 ist geringfügig konvex gemacht.
• Eine Trennwand 38 aus keramischer Faser ist zwischen den Lampen 22 und 24 bereitgestellt. Die innere Lampe 24 ist zur alleinigen Verwendung zum Erwärmen von Gegenständen kleinen Durchmessers oder zusammen mit der äußeren Lampe 23 zur Erwärmung größerer Gegenstände bestimmt. Um Streulicht zu verringern, wenn nur die innere Lampe 24 mit Energie beaufschlagt wird, sind die Abschnitte der Umhüllung 30a und 30h, die den kreisringförmigen Teil des Heizgeräts außerhalb der Trennwand 38 durchqueren, mit schwarzer Farbe beschichtet, ebenso wie die Enden der Lampe 22 außerhalb des Rands 14. Die Lampen 22 und 24 sind gegenüber einer Bewegung mit ihren Enden und mit Vorsprüngen (z.B. längliche Auslaßrohre) 40 und 42, die sich von ihren Umhüllungen 33 aus erstrecken, festgelegt. Der Vorsprung 40 von der äußerne Lampe 22 ist zwischen der Randwand 18 und der Isolierschicht 16 eingebettet, und der Vorsprung 42 von der inneren Lampe 24 ist gleichermaßen zwischen der Trennwand 38 und der Schicht 16 eingebettet. Weitere Einzelheiten dieses Verfahrens zum Halten der Lampen 22 und 24 sind in der Patentschrift GB 2 220 333 / EP 0 343 868 gegeben.
• Wie bei Heizgeräten für Kocher mit keramischen Glasoberteil üblich, ist eine temperaturempfindliche Stabbegrenzungsvorrichtung 44 bereitgestellt, wobei sich ihre Sonde 46 von der Randwand 18 quer über das Heizgerät 10 über die äußere Lampe 22 an einer Seite und über die innere Lampe 24 bis zu der Trennwand 38 an der entfernten Seite erstreckt. Diese Sonde umfaßt üblicherweise ein Rohr aus Quarzglas, das einen Metallstab enthält, der vorzugsweise mit einem reflektierenden Material, wie z.B. Silber, überzogen ist, wie in der GB 2 146 431 beschrieben. Ein mit der Sonde 46 gesteuerter zweipoliger Kippschalter 48 hat einen mit den Lampen 22 und 24 in Serie geschalteten Pol und einen zweiten Pol, der zur Steuerung einer Lampe verwendet werden kann, die anzeigt, daß die Kochfläche 20 heiß ist.
• Die Begrenzungsvorrichtung 44 muß kalibriert werden, um so zu arbeiten, daß sie die Temperatur der Kochfläche aus Glaskeramik korrekt begrenzt, und zwar unabhängig davon, ob die innere Lampe 24 mit Energie beaufschlagt ist oder beide Lampen 22 und 24 mit Energie beaufschlagt sind. Demgemäß ist die Begrenzungsvorrichtung 44 für die Wärme in der die Lampe 22 enthaltenden kreisringförmigen Fläche unempfindlich gemacht. Hierfür ist das äußere Rohr der Sonde 46 aus zwei Stücken gefertigt nämlich einem sich über die innere Lampe 24 erstreckenden Siliziumdioxidabscbnitt 50 und einem sich über die äußere kreisringförmige Fläche des Heizgeräts 10 erstreckenden Metallabschnitt 52. Dieser Metallabschnitt 52 hat einen ähnlichen thermischen Expansionskoeffizienten wie der Metallstab in seinem Inneren, so daß Wärme in der kreisringförmigen Fläche des Heizgeräts 10 nur eine geringfügige oder keine Auswirkung auf den Betrieb der Begrenzungsvorrichtung 44 hat. Dennoch besteht die Möglichkeit einer anfänglichen Erwärmung des Metallabschnitts 52, was den Betrieb der Begrenzungsvorrichtung verzögert, wenn die Lampen 22 und 24 erstmals mit Energie beaufschlagt werden. Um dies zu verhindern, kann der Metallabschnitt 52 auf die gleiche Weise wie der Metallstab innerhalb der Sonde 46 z.B. mit Silber beschichtet sein.
• Eine Spule 54 aus elektrischem Widerstandsdraht ist ebenfalls bereitgestellt, die sich um den Randbereich des Heizgeräts 10 unterhalb der Randwand 18 in einer Nut 56 in der Isolierschicht 16 erstreckt. Diese Spule besteht aus Material mit einem viel kleineren Widerstand-Temperaturkoeffizienten als der des Glühfadens 26, z.B. aus einer Eisen- Chrom-Aluminium-Legierung. Der Durchmesser der Spule 54 ist üblicherweise etwa 4 bis 4,5 min, und die Nut befindet sich mit ihrer äußeren Seite zumindest 5 mm von dem Rand 14 der Schale 12 entfernt, um die elektrische Isolierung aufrecht zu erhalten. Die Spule 54 hat geradlinige Abschnitte, bei denen sie sich an den Enden der Lampen 22 und 24 vorbei sowie an dem Vorsprung 40 vorbei erstreckt und wobei ihre Enden an einem elektrischen Anschiußblock 55 befestigt sind.
• Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Widerstandsdrahtspule 54 über die Begrenzungsvorrichtung 48 zwischen einem Pol N einer elektrischen Stromversorgung und einem Anschluß jeder der Lampen 22 und 24 angeschlossen. Der zweite Anschluß der inneren Lampe 24 ist mit dem anderen Pol L der elektrischen Stromversorgung über einen vom Benutzer bedienbaren Schalter 58 und eine Leistungssteuerungseinheit 60 (wie z.B. einen zykiischen Energieregier) gekoppelt. Der zweite Anschluß der äußeren Lampe 22 ist auch mit dem Schalter 58 gekoppelt, jedoch über einen zweiten vom Benutzer bedienbaren Schalter 62, mit dessen Hilfe der Benutzer auswählen kann, ob die Lampe 22 mit der Lampe 24 mit Energie beaufschlagt wird.
• Ein Brückengleichrichter 64 ist über einen Spannungsverringerungswiderstand 66 parallel zu der inneren Lampe 24 geschaltet und versorgt die Betätigungsspule eines 96V-Gleichstromrelais 68, das einen Schalter 70 steuert, der mit der Widerstandsdrahtspule 54 parallel verbunden ist.
• Der Parallelwiderstand der Lampen 22 und 24 ist in ihrem kalten Zustand (d.h. nicht mit Energie beaufschlagt) üblicherweise etwa 2 für ein 1800W-Heizgerät (z.B. Lampen 22 und 24 von jeweils 1000W und 800W). Wenn sie jedoch mit Energie beaufschlagt und auf ihrer gewöhnlichen Betriebstemperatur sind, ist ihr Parallelwiderstand ca. 25 bis 30X. Der Widerstand der Spule 54 wird so ausgewählt, daß er in etwa gleich der Größe des Widerstands der Lampen bei ihrer Betriebstemperatur ist, z.B. im Bereich von 10 bis 30X. Wenn die Lampe 24 allein oder mit der Lampe 22 mit Energie beaufschlagt wird, ist der Spannungsabfall an dem Glühfaden 26 der Lampe 24 relativ klein. Diese Spannung reicht nicht aus, um das Relais 68 zu betätigen, und so bleibt der Schalter 70 offen. Somit ist die Spule 54 mit der Lampe (den Lampen) in Serie und begrenzt den anfänglichen Stromstoß durch den kalten Lampenglühfaden (die kalten Lampenglühfliden) 26. Wenn sich der Glühfaden 26 in der Lampe 24 erwärmt, steigt sein Widerstand an, so daß ein zunehmender Anteil der Versorgungsspannung an der Lampe 24 abfallt. Schließlich erreicht diese Spannung einen Wert, der ausreicht, um das Relais 68 zu betätigen, woraufhin der Schalter 70 geschlossen und die Spule 54 kurzgeschlossen wird und die volle Versorgungsspannung unmittelbar an die Lampe (die Lampen) angelegt wird.
• Die zeitliche Verzögerung zwischen der Energiebeaufschlagung der Lampe (der Lampen) und der Betätigung des Relais 68 ist eine Kombination der Zeitverzögerung, die auftritt, bevor die Spannung an der Lampe (den Lampen) ausreicht, um das Relais 68 zu betätigen, und der inhärenten Ansprechzeit des Relais 68. Wie in EP 0 235 895 erklärt, stellt diese Anordnung eine geeignete Zeitverzögerung von zumindest einigen 10ms bereit, ohne daß man zusätzliche Zeitabstimmungsbestandteile benötigt. Man sieht aus Fig. 3, daß bei Betätigung des Relais 68 die volle Versorgungsspannung an den Relaisschaltkreis angelegt wird und angelegt bleibt, solange das Heizgerät mit Energie beaufschlagt ist. Aus diesem Grund bevorzugt man als Relais 68 ein Gleichspannungsrelais, da dieses eine größere Spannungstoleranz als ein Wechselspannungsrelais hat.
• Der Wert des Widerstands der Spule 54 wird in Abstimmung mit den Kenngrößen des Widerstands 66 des Relais 68 ausgewählt, um eine ausreichende Begrenzung des Stoßstroms durch die kalten Lampenglühfäden zu bewirken, ohne daß man den Temperaturanstieg der Glühfäden in ungerechtfertigter Weise verzögert, und, falls möglich, um jegliche plötzliche Anderung der Lampenintensität zu minimieren, wenn das Relais 68 bedient wird. Insbesondere wird der Bereich dieser Parameter ausgewählt, um die gewünschten Betriebskenngrößen bereitzustellen, wenn beide Lampen 22 und 24 mit Energie beaufschlagt werden (der schlimmste Fall bei maximalem Stoßstrom). Es können Einstellungen innerhalb dieses Bereichs durchgeführt werden, damit für einen annehmbaren Betrieb gesorgt wird, wenn nur die Lampe 24 mit Energie beaufschlagt wird. Die Spule 54 hat zwar eine große Verlustleistung, doch ist dies nur für eine derart kurze Zeit, daß es aus ästhetischen Gründen machbar ist, sie zwischen die Schicht 16 und die Randwand 18 einzuschließen, ohne daß man sie äußerst großen Temperaturen unterwirft.
• Wie oben erwähnt, kann die Erfindung z.B. auch in einem Heizgerät mit nur einer einzigen Infrarotlampe oder einer ähnlichen Wärmequelle verwendet werden, wobei in diesem Fall die Trennwand 38 ausgelassen wird. Die Spule 54 kann die einzige Begrenzung des Stoßstromes bilden, oder sie kann verwendet werden, um ein Problem zu lösen, das insbesondere bei größeren Heizgeräten höherer Leistung auftritt, die einen Stoßstrom-Begrenzungswiderstand haben, der mit der Lampe ständig in Serie ist. Bei solchen Heizgeräten von etwa 2200W oder mehr müßte der Strombegrenzungswiderstand etwa 60 bis 70% des gesamten Widerstands des Heizgeräts bei Energiebeaufschlagung sein, um Vorschriften über die Störung elektrischer Stromversorgungen gerecht zu werden. Wenn jedoch der ständige Serienwiderstand so groß gemacht wird, wird ein ungerechtfertigt hoher Anteil der von dem Heizgerät bereitgestellten Leistung in dem Serienwiderstand dissipiert. Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die dieses Problem löst.
• In Fig. 4 besitzt die einzige Lampe 24 einen mit ihr ständig in Serie geschalteten Widerstand 72. Dieser Widerstand ist in geeigneter Weise an der Isolierschicht 16 z.B. innerhalb der durch die Lampe 24 begrenzten kreisförmigen Fläche angeordnet. Der verbleibende Teil des Schaltkreises ist so, wie anhand von Fig. 3 beschrieben, wobei die gleichen Bezugsziffern verwendet wurden, um dieselben Bestandteile zu identifizieren. Der Widerstand 72 hat einen Wert, der ungefähr 40% des gesamten Widerstands des Heizgeräts (d.h. Lampe 24 + Widerstand 72) bereitstellt, wenn das Heizgerät mit Energie beaufschlagt ist. Die Spule 54 sorgt för den zusätzlichen Widerstand, den man benötigt, um den Einschaltstrom zu begrenzen, wenn daß Heizgerät eingeschaltet wird, doch wird dieser zusätzliche Widerstand durch den Schalter 70 während Normalbetrieb umgangen, um einen geeigneten Anteil an Leistungsdissipation in der Lampe 24 beizubehalten.
• Verschiedene andere Anderungen können an den gezeigten und beschriebenen Anordnungen durchgeführt werden. In dem Ausfülrrungsbeispiel von Fig. 1 bis 3 können z.B. die Spule 54 oder eine ihr ähnliche andere unter der Trennwand 38 angeordnet sein.
• Das Herausschalten der Spule 54 aus dem Lampenserienschaltkreis kann auf andere Arten bewirkt werden, als mit einem Relais, dessen Betätigungsspule über die Lampe hinweg verläuft. So kann, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Anschluß des Bruckengleichrichters 64 mit dem Mittelpunkt eines Paars von Widerständen 74 und 76 verbunden sein, die einen Spannungsteiler bilden, der zu der Drahtwiderstandsspule 54 und dem Relaisschalter 70 parallel geschaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Differenz zwischen der minimalen Spannung, die an das Relais 68 zu seiner Bedienung angelegt werden muß, und der maximalen kontinuierlichen Spannung, die sie unterhalten muß, nachdem der Schalter 70 geschlossen wurde, verringert wird. Für eine 240V- Spannungsversorgung und ein ein 2kW-Heizgerät haben diese Widerstände üblicherweise einen Wert von jeweils 10 bis 20 kX.
• Wahlweise kann der Brückengleichrichter 64 unmittelbar mit dem Begrenzungsschalter 48, wie in Fig. 6 gezeigt, und einem parallel zu dem Relais 60 geschalteten Kondensator 78 geschaltet sein, um mit dem Widerstand 66 so zusammenzuarbeiten, daß die erforderliche Verzögerung zusätzlich zu der dem Relais inhärenten Ansprechzeit bereitgestellt wird.

Claims (8)

1. Elektrisches Strahlungsheizgerät mit

- einer Schicht (16) aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial;

- einer Wand (18, 38) aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial, das sich über der Schicht aus Isoliermaterial erstreckt;

- mindestens einer Infrarot-Quelleneinrichtung (22, 24), die einen relativ hohen Widerstand-Temperaturkoeffizienten hat; und

- Widerstandseinrichtungen (54), die so angeordnet sind, um vorübergehend mit der Quelleneinrichtung nach deren Beaufschlagung mit Energie in Serie zwischengeschaltet zu werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung unter der Wand angeordnet ist.

2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einzel- Quelleneinrichtung, wie z.B. eine Infrarotlampe, vorliegt.

3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Widerstandseinrichtung (72) mit der Quelleneinrichtung (24) ständig in Serie geschaltet ist.

4. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (18) neben dem Randbereich des Heizgerätes angeordnet ist.

5. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorübergehende Zwischenschaltung der Widerstandseinrichtungen (54) in Serie mit der Quelleneinrichtung (22, 24) durch eine Schaltereinrichtung (68, 70) gesteuert wird, die auf die an der Quelleneimichtung auftretende Spannung anspricht.

6. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorübergehende Zwischenschaltung der Widerstandseinrichtungen (54) in Serie mit der Quelleneinrichtung (22, 24) durch eine Schaltereinrichtung (68, 70) gesteuert wird, die auf die an der Quelleneinrichtung und an einem mit den Widerstandseinrichtungen parallel gekoppelten Spannungsteiler (74, 76) auftretende Spannung anspricht.

7. Heizgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorübergehende Zwischenschaltung der Widerstandselemente (54) in Serie mit der Quelleneinrichtung (22, 24) durch eine Schaltereinrichtung (68, 70) gesteuert wird, die auf die Versorgungsspannung anspricht und einen Kondensator (78) beinhaltet, um ein Verzögerungsintervall bereitzustellen.

8. Heizgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung ein Relais (68) aufweist.