DE3929965A1 - Temperaturschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Ausdehnungs­ koeffizienten 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.

Das Quarzrohr ist für Strahlung gut durchlässig und behin­ dert so den Strahlungs-Wärmeübergang kaum.

Aus dem DE-U-78 26 549 ist ein Regler für Gasherde bekannt­ geworden, bei dem über das Fühlerrohr ein weiteres Metall­ rohr geschoben ist, das im Abstand von diesem liegt. Dieses Rohr soll verhindern, daß die Gasflamme direkt den Fühler trifft.

Es ist aus der EP-B-1 16 861 ein Temperaturschalter bekannt­ geworden, 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 Strahl­ heizkörper 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-1 50 087 hervor, bei dem das zum Temperaturfüh­ ler gehörende äußere Rohr als Quarzglasrohr ausgebildet ist. Das Fühlerrohr ist mit einer Beschichtung aus einem infrarot reflektierenden Material versehen, um zu verhin­ dern, daß durch das rohrförmige Element durchgelassene Infrarotstrahlung den inneren Stab erreicht.

Aus der älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 38 21 496 ist ein Temperaturfühler be­ kanntgeworden, dessen äußeres Fühlerrohr, das das Ausdeh­ nungsnormal bildet, aus einem die von der Strahlungsquelle kommende Strahlung hauptsächlich absorbierenden Material besteht, beispielsweise einem durchgesinterten keramischen Material, vorzugsweise Cordierit.

Temperaturschalter mit derartigen stabförmigen Differenz-Aus­ dehnungsstäben 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 Durch­ schlagsicherheit 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.

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 vorge­ schrieben ist, überschreitet. Außerdem erfolgt die Abschal­ tung beim ersten Aufheizen früher als es erwünscht ist. Beim ersten Aufheizen ist nämlich eine Überschreitung der für den Schutz der Glaskeramik nötigen maximalen Dauertem­ peratur möglich, ohne diese zu gefährden, so daß kürzere Anheizzeiten erreicht werden können. Das Quarzgutrohr ist außerdem relativ teuer und bruchanfällig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Temperaturbegren­ zer zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere bei zuverlässiger, betriebs­ sicherer Bauweise eine höhere Schaltamplitude und eine erhöhte Anheizperiode sicherstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst.

Die Verwendung eines keramischen Materials, das von sich aus Absorptions- bzw. Reflektionseigenschaften hat, vor­ teilhaft beides, sorgt dafür, daß der Fühler nur mit Sekun­ därwärme in Form von Sekundärstrahlung des Außenrohrs bzw. von Kontakt- oder Konvektionswärmeübertragung erhält. Dadurch tritt automatisch eine Verzögerung ein, die zu einer thermischen Ansprechverzögerung des Temperaturschal­ ters führt. Dadurch kann am Beginn des Reglers die einge­ stellte Ausschalttemperatur "überschießen", während im Dauerbetrieb dann die eingestellte Temperatur genau gehal­ ten wird. Vorteilhaft dafür ist eine erhöhte thermische Trägheit des Außenrohrs, die die Ansprechverzögerung ver­ größert.

Das Außenrohr kann aus einer magnesiumsilikathaltigen technischen Keramik, ggf. mit einem Anteil an Aluminiumsi­ likat, bestehen oder dieses enthalten. Besonders bevorzugt als Material ist Steatit, das im durchgesinterten Zustand nicht nur die vorteilhaften Reflektions- und Absorptions­ eigenschaften hat, d.h. für Strahlung direkt kaum durch­ lässig ist, sondern daß sich auch bei Fallversuchen weniger bruchanfällig gezeigt hat als ein Rohr aus Quarzgut. Dar­ überhinaus 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 Quarz­ gutrohr, so daß partielle Überhitzungen an der Glaskeramik vermieden werden 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 widerspre­ chen, werden erstaunlicherweise erreicht, obwohl die Schalthysterese wesentlich größer ist als bei der Ausfüh­ rung nach dem Stand der Technik.

Besonders bevorzugt ist der Temperaturschalter für Strah­ lungsbeheizungen für Glaskeramik, deren Strahlungsquelle zumindest einen Strahlheizkörper enthält, dessen Heizwider­ stand bei Temperaturen oberhalb 1500 K arbeitet und bei­ spielsweise 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.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzel­ nen 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. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Strahlungs­ heizung, die mit einem Temperaturschalter versehen ist,

Fig. 2 einen Detaillängsschnitt durch einen Fühlerabschnitt des Temperaturschalters und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Temperatur­ fühler.

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-Träger­ schale 16 liegt, bildet die äußere Begrenzung der Kochstel­ le.

Die Beheizung des Strahlheizkörpers 11 bilden ein Hell­ strahler 18 und ein Dunkelstrahler 20. Der Hellstrahler 18 enthält in einem Quarzglasrohr einen hochtemperaturfesten Heizwiderstand 21, beispielsweise aus Wolfram. Das Quarz­ glasrohr 24 ist mehreckig oder im wesentlichen kreisförmig gebogen, wobei seine beiden Anschlüsse 22 dicht nebeneinan­ der parallel durch den Rand 14 aus dem Strahlheizkörper hinausführen und dort mit Leitungsanschlüssen versehen sind. Die bestimmungsgemäße Glühtemperatur liegt über 1500 K, vorzugsweise bei 2300 K.

Die Glühtemperatur des Dunkelstrahlers 20 liegt wesentlich unter diesen Werten. Es handelt sich bei ihm um einen üblichen wendelförmig gebogenen offenen Draht aus Wider­ standsmaterial, 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.

Ein stabförmiger Temperaturfühler 27 eines Temperaturschal­ ters 28 ragt diametral über den kreisförmigen Strahlheiz­ körper und ist in dem Rand 14 auf beiden Seiten geführt. Der Schalterkopf 40 des Temperaturschalters 28 liegt außer­ halb 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 Koch­ stelle. Der Temperaturfühler 27 ragt mit Abstand von der Unterseite der Glaskeramikplatte 12 und den Strahlern 18, 20 durch den schüsselförmigen Innenraum des Strahlheizkör­ pers.

Die beiden die Strahlungsquelle bildenden Strahler 18, 20 bilden zwei im wesentlichen zueinander konzentrische Ringe, von denen der Hellstrahler 18 den inneren bildet.

Der Temperaturfühler 27 des Temperaturschalters 28 besteht aus einem metallischen Fühlerrohr 43 und einem darin lie­ genden Stab 44 aus einem Material mit gegenüber dem Fühler­ rohr 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 dargestell­ ten Justierschraube ab, die in einem Gewinde des Fühler­ rohrs einstellbar ist.

Das Fühlerrohr 43 ist von einem Außenrohr 45 umgeben, das einen etwas größeren Innendurchmesser hat als der Außen­ durchmesser 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 Außen­ rohr 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 Strahlheizkörper­ durchmesser 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 Durch­ schlagsicherheit 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 Senkboh­ rung 48 des Randes in der Nähe des freien Fühlerendes geführt, so daß das Außenrohr etwas in den Rand hinein­ reicht 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-för­ mige 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 bruchge­ fährdet ist, als wenn es frei beweglich wäre.

Das Außenrohr 45 besteht aus Steatit. Dieses Material der Gruppe KER 200 nach DIN 40 685 (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, Strang­ pressen, Pressen oder dgl. bearbeitet werden kann, so daß auch ein relativ dünnwandiges Rohr größerer Länge herstell­ bar 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 Brand 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. Beson­ ders 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 absor­ biert wird und dann nur durch Sekundärstrahlung, Wärmelei­ tung 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.

Andere Materialien, die ähnliche Eigenschaften haben, sind ebenfalls geeignet, beispielsweise Aluminium-Magnesium- Silikate (Gruppe KER 400 nach DIN 40 685). Dort ist Cordierit ein geeigneter Werkstoff, obwohl seine hervorra­ gende Eigenschaft, nämlich die geringe Wärmedehnung, hier seltener benötigt wird. Die dadurch erhöhte Wärmeschockbe­ ständigkeit kann aber in Sonderfällen wichtig sein.

Nach dem Einschalten der Strahlungsquellen 18, 20 heizen sich diese, insbesondere der Hellstrahler 18, schnell auf, und die Strahlung wird auf die Glaskeramikplatte 12 gerich­ tet, 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 1000 K erreicht werden, bei der die Glaskeramik dauernde Schäden erleiden würde, wenn sie mit dieser Tempe­ ratur 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 300 K anspricht, die Strahlungs­ heizkörper abzuschalten oder in ihrer Leistung zu vermin­ dern, 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 Wärmeüber­ tragung in dem Spalt 50 übertragen werden, während Kontakt­ übertragung nur im oberen Abschnitt vorliegt, wo das Außen­ rohr 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 An­ sprechverzögerung ein, die die Temperatur an der Unterseite der Glaskeramik etwas über den Dauerbegrenzungswert über­ schießen 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 ein­ stellt, aber bei anderer Anordnung auch durch andere Maß­ nahmen erreicht werden kann, wird auch bewirkt, daß infolge der besseren Wärmeübertragung von der beheizten Platte her deren Rückstrahlung sich verstärkt auswirkt.

Im stationären Betrieb wirkt sich die Verzögerung, die durch alle Faktoren, wie Abschirmung, thermische Masse etc., bewirkt werden, dahingehend aus, daß die Schaltampli­ tude sich fast um eine Zehnerpotenz vergrößern läßt und damit die Schaltintervalle auf ein zulässiges Maß gesenkt werden können. So konnte die Schaltamplitude von +/- 1,5 K mit einem Quarzrohr auf +/- 11 K mit einem Steatit-Außenrohr als Außenrohr gesteigert werden.

Dabei hat natürlich das Außenrohr 45 den gewünschten Ef­ fekt, daß die notwendige Luftstrecke zwischen der bei höheren Temperatur leitenden Glaskeramik und den Strahl­ heizkörpern, insbesondere den offen liegenden Strahlheiz­ körpern, 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.

Claims (10)

1. Temperaturschalter für eine eine Strahlungsquelle (18, 20) enthaltende Strahlungsheizung (11), mit wenigstens einem Schaltkontakt (41, 42) und einem Temperaturfühler (27), der aus einem Stab (44) und einem diesen umgeben­ den Fühlerrohr (43) besteht, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, wobei das 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 kerami­ sches Material aufweist.

2. Temperaturschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Außenrohr (45) eine magnesium-sili­ kat-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 An­ sprüche, 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 nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, 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 An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (45) über die Fühlerlänge, insbesondere im Bereich von offen liegenden Strahlheizkörpern (20) einteilig ausgebildet ist.

8. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, 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 An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (45) zu einem den wenigstens einen Schaltkontakt (41, 42) enthaltenden Schalterkopf (40) hin durch ein das Füh­ lerrohr (43) umgebendes elastisches Element (51), wie einen wärmebeständigen Isolierschlauch, axial elastisch geführt ist.

10. Temperaturschalter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (44) aus keramischem Material und das Fühlerrohr (43) aus Metall mit einem gegenüber dem Stabmaterial größeren thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten besteht und daß insbe­ sondere die Strahlungsheizung (11) für die Beheizung einer Glaskeramikplatte (12) ausgebildet ist, wobei die Strahlungsquelle zumindest einen Strahlungsheizkörper (18) enthält, dessen Heizwiderstand bei Temperaturen oberhalb 1500 K arbeitet und vorzugsweise eine Halogen­ lampe oder dgl. ist.