Verfahren zum Schutz eines Heizelementes sowie

Heizvorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Heizelementes mit wenigstens einem Spannungsabgriff vor überhitzung. Ferner betrifft die Erfindung eine Heizvorrichtung und ein wasserführendes Haushaltsgerät mit einer derartigen Heizvorrichtung.

Heizvorrichtungen mit einem elektrisch betriebenen Widerstandsheizelement benötigen einen Schutz vor überhitzung, insbesondere wenn sie in wasserführenden Haushaltsgeräten, wie z.B. Wasserkocher, Kaffeemaschinen, Geschirrspülmaschinen oder Waschmaschinen, eingesetzt werden. Zum Schutz vor überhitzung ist dabei vorgesehen, dass während des Heizbetriebes durch Messung von Heizstrom und - Spannung der Heizungswiderstand bestimmt wird und bei überschreiten eines festen Grenzwertes eine Abschaltung der Heizung erfolgt. Dies erfordert jedoch eine sehr genaue und langzeitstabile Messung von Heizungsstrom und -Spannung. Des Weiteren dürfen die für die Fertigung verwendeten Heizungswiderstände nur eine geringe Exemplarstreuung aufweisen, um eine Strommesseinrichtung mit der erforderlichen Genauigkeit realisieren zu können. Problematisch sind jedoch kritische partielle überhitzungen mit relativ kleiner Flächeausdehnung, die ebenfalls zu einer Zerstörung des Heizelementes führen können. Sie können so nicht von unkritischen, großflächigen Erwärmungen unterschieden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Schutz eines Heizelementes bereitzustellen, dass gegenüber Exemplarstreuungen neutral ist, mit geringen Aufwand realisiert werden kann und die zuverlässige Erkennung von partiellen überhitzungen erlaubt.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Schutz eines Heizelementes mit wenigstens einem Spannungsabgriff vor überhitzung, mit den Schritten:

- Ermitteln eines Heizungselementsgrenzwertes,

Ermitteln wenigstens eines Spannungsabgriffsgrenzwertes,

Erfassen des Heizelementswerts und des wenigstens einem Spannungsabgriffwertes, und

Deaktivieren des Heizelements, wenn der Heizelementgrenzwert oder der wenigstens eine Spannungsabgriffgrenzwert überschritten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei aus, mittels eines Heizelementes mit wenigstens einem Spannungsabgriff weitere charakteristische Werte des Heizungselementes erfasst und zur Auswertung herangezogen werden. Dabei erlaubt das kontinuierlich oder mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz erfolgende Erfassen des Heizelementwertes und des wenigstens eines Spannungsabgriffwertes, dass auch partielle überhitzungen zuverlässig erkannt werden können. Ferner wird durch das Verfahren der Einfluss von Exemplarstreuungen eliminiert.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zur Grenzwertermittlung mindestens ein Widerstandswert herangezogen wird. Dabei kann es sich um den Widerstandswert des Heizelementes handeln, der mittels einer überwachungseinrichtung aus dem durch das Heizelement fließenden elektrischen Strom und der an dem Heizelement abfallenden elektrischen Spannung ermittelt wird. Dieser Widerstandswert wird dann mit dem vorher ermittelten und abgespeicherten Heizelementgrenzwert kontinuierlich oder mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz während des Betriebes überwacht und verglichen, wobei bei überschreiten des ermittelten Heizelementgrenzwertes das Heizelement deaktiviert wird. An Stelle der Heranziehung eines Widerstandswerts kann alternativ auch der Leitwert Verwendung finden.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Grenzwertermittlung mindestens ein Spannungsverhältnis herangezogen wird. Dabei handelt es sich bei dem Spannungsverhältnis um das Verhältnis aus dem Spannungsabfall über dem wenigstens einen Spannungsabgriff und dem Spannungsabfall über dem Heizelement. Sind mehrere Spannungsabgriffe am Heizelement vorgesehen werden entsprechend der Anzahl der Spannungsabgriffe eine entsprechende Anzahl an Spannungsverhältnissen in Bezug zum Spannungsabfall am Heizelement ermittelt. Während des Betriebs werden die jeweiligen an den Spannungsabgriffen abfallenden Spannungen mittels der

überwachungseinrichtungen kontinuierlich oder mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz erfasst und mit vorher bestimmten Spannungsabgriffsgrenzwerten verglichen. Sobald ein Wert einen vorgegebenen Spannungsabgriffsgrenzwert überschreitet, wird das Heizelement deaktiviert.

Dabei ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schritte

Ermitteln eines Heizelementsgrenzwertes, und

Ermitteln wenigstens eines Spannungsabgriffgrenzwertes

in einem Initialisierungsschritt erfolgen. D.h., dass die Heizeinrichtung im Neuzustand in der Fertigung während des Initialisierungsschrittes aufgeheizt wird und ein Selbstabgleich erfolgt, bei dem der durch das Heizelement elektrische Strom, die über dem Heizelement abfallende elektrische Spannung sowie die an den Spannungsabgriffen abfallenden elektrischen Spannungen erfasst werden. In einem nächsten Schritt werden aus diesen ermittelten Messwerten die entsprechenden Grenzwerte, d.h. der Heizelementgrenzwert und der wenigstens eine Spannungsabgriffsgrenzwert, gebildet und abgespeichert. Dabei kann zur Erhöhung der Sicherheit eine Multiplikation mit einem Korrekturfaktor vorgesehen sein. Anschließend wird die überwachungseinrichtung in einem überwachungsmodus umgeschaltet, in dem allein ein kontinuierliches oder mit einer vorgegebene Abtastfrequenz erfolgendes Erfassen des Heizelementgrenzwertesund des wenigstens ein Spannungsabgriffgrenzwertes erfolgt und bei überschreiten eines Grenzwertes ein Deaktivieren des Heizelementes erfolgt.

Ferner gehört zur Erfindung eine Heizvorrichtung, wenigstens umfassend ein Heizelement mit wenigstens einem Spannungsabgriff und mit einer überwachungseinrichtung zur

überwachung des Heizelementes, die der derart ausgebildet ist, dass auf ein

überschreiten mindestens eines vorgegebenen Grenzwertes hin die Heizvorrichtung deaktiviert wird. Diese Vorrichtung erlaubt es auf einfache Art und Weise durch

Bereitstellen eines zusätzlichen Spannungsabgriffes, partielle überhitzungen zuverlässig zu erfassen und zugleich durch Vergleiche mit vorgegebenen Grenzwerten

Fertigungstoleranzen der verwendeten Bauteile zu kompensieren.

Dazu ist es vorzugsweise vorgesehenen, dass der mindestens eine vorgegebene Grenzwert ein Widerstandswert ist, der mittels einer Strom- und Spannungsmessung erfasst wird. Es kann sich dabei bspw. um den Heizelementgrenzwert des Heizelementes der Heizvorrichtung handeln. Analog kann auch der entsprechende Leitwert Verwendung finden.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der mindestens eine vorgegebene Grenzwert ein Spannungsverhältnis ist, dass aus der am Heizelement fallenden elektrischen Spannung und der an dem wenigstens einem Spannungsabgriff abfallenden elektrischen Spannung gebildet wird. Bei dem vorgegebenen Grenzwert kann es sich bspw. um den wenigstens einen Spannungsabgriffsgrenzwert handeln.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung Strommessmittel zur Erfassung des durch das Heizelement fließenden elektrischen Stromes aufweist, um so den Widerstandswert des Heizelementes zu bestimmen. Dabei erfolgt die Strommessung über die Messung eines Spannungsabfalls über einen Shuntwiderstand.

Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die überwachungseinrichtung einen Speicher aufweist, in der der mindestens eine vorgegebene Grenzwert abgespeichert werden kann. Dies erlaubt es, in einem Initialisierungsvorgang z.B. einen Heizelementgrenzwert und mindestens einen Spannungsabgriffgrenzwert zu erfassen und daraus die jeweiligen Grenzwerte zu bestimmen, die dann in dem Speicher abgespeichert werden können. Nach Abschluss des Initialisierungsvorgangs hat dann ein Mikrokontroller einer überwachungseinrichtung Zugriff auf die abgespeicherten Grenzwerts, um einen Vergleich mit den kontinuierlich oder mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz erfassten Heizelementwerten und den wenigstens ein Spannungsabgriffwert durchführen zu können.

Ferner gehört zur Erfindung ein wasserführendes Haushaltsgerät, wie z.B. ein Wasserkocher, eine Kaffeemaschine, eine Geschirrspülmaschine oder eine Waschmaschine, die wenigstens eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung aufweist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 2 weist ein Heizelement 4 auf, bei dem es sich um ein elektrisches Heizelement in Dickschichttechnik mit im Wesentlichen länglicher Form handelt. Das Heizelement 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Spannungsabgriffe 6 auf. Alternativ kann jedoch auch eine andere Anzahl von Spannungsabgriffen vorgesehen sein.

Die Heizvorrichtung 2 weist einen Anschluss 22 zur Versorgung mit elektrischer Energie auf, die bei geschlossenen Relaisschalter 16 durch das Heizelement 4 fließt. In Reihe zum Heizelement 4 ist ein Shuntwiderstand 10 angeordnet, der der Strommessung des durch das Heizelement 4 fließenden elektrischen Stromes dient.

Ferner gehört zur Heizvorrichtung 2 eine Messwandlereinheit 12, die der Anpassung der Eingangsspannung des Heizelements 4, des Spannungsabfalls über dem Shuntwiderstand 10 sowie der Spannungsabfälle über den Spannungsabgriffen 6 dient.

Des Weiteren umfasst die Heizvorrichtung 2 eine überwachungseinrichtung 8, die einen Mikrokontroller (nicht dargestellt) und einen Speicher (nicht dargestellt) aufweist. Der Mikrokontroller ist eingangsseitig mit der Spannungswandlereinheit 8 verbunden und steht ausgangsseitig mit einem Relais 14 in Wirkverbindung. Ferner ist die überwachungseinrichtung 8 mit einer Referenzspannungsquelle 20 verbunden.

Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 2 erläutert.

In einem Initialisierungsschritt erfolgt nach Anlegen einer Betriebsspannung an dem Anschluss 22 zuerst ein Erfassen des Spannungsabfalls über das Heizelement 4 sowie des durch das Heizelement 4 fließenden elektrischen Stromes mittels des Shuntwiderstands 10. Diese Werte werden nach Anpassen durch die Messwandlereinheit 12 der überwachungseinrichtung 8 mit dem Mikrokontroller zugeführt und daraus ein Grenzwert für den Widerstandswert ermittelt. Dabei kann der messtechnisch ermittelte Grenzwert mit einem vorgegebenen Korrekturfaktor multipliziert

werden. Dieser Wert wird dann im Speicher als vorgegebener Heizelementgrenzwert abgespeichert.

In einem nächsten Schritt werden die Werte für die Spannungsabfälle an den Spannungsabgriffen 6 erfasst, mittels der Messwandlereinheit 12 angepasst und der überwachungseinheit 8 mit dem Mikrokontroller zugeführt. Anschließend wird für jeden Spannungsabgriff 6 ein Spannungsverhältnis bezogen auf den Spannungsabfall über das Heizelement 4 ermittelt und in dem Speicher als Spannungsabgriffsgrenzwerte abgespeichert, wobei ebenfalls eine Multiplikation mit einem vorgegebenen Korrekturfaktor vorgesehen sein kann. Zusätzlich ist es möglich, dass als weiterer Grenzwert das Spannungsverhältnis der beiden Spannungsabgriffe 6 gebildet und abgespeichert wird. Damit ist der Initialisierungsvorgang abgeschlossen.

Während des Betriebes hingegen wird die Heizvorrichtung 2 wieder eine an dem Anschluss 22 angeschlossene Spannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt, die bei geschlossenem Relaisschalter 16 einen durch das Heizelement fließenden elektrischen Strom hervorruft, der eine Erwärmung des Heizelements 4 bewirkt. Kontinuierlich oder mit einem vorgegebenen Abtastverhältnis werden mittels der Messwandlereinheit 12 und der überwachungseinrichtung 8 der durch das Heizelement 4 fließende Strom mittels des Shuntwiderstands 10 und die über das Heizelement 4 abfallende Spannung erfasst. Anschließend werden aus dem durch das Heizelement 4 fließenden elektrischen Strom und der an den Heizelement 4 abfallenden elektrischen Spannung der aktuelle Widerstandswert ermittelt, der mit dem während des Initialisierungsschrittes ermittelten und abgespeicherten Heizelementsgrenzwertes verglichen wird. Ist der aktuelle Widerstandswert größer als der vorgegebenen Heizelementgrenzwert veranlasst die überwachungseinrichtung, dass das Relais 14 nicht mit Strom versorgt wird, so dass der Relaisschalter 16 öffnet und damit das Heizelement 4 von der Spannungsversorgung trennt.

Ferner werden kontinuierlich oder mit einem vorgegebenen Abtastverhältnis die Spannungsabfälle an den Spannungsabgriffen 6 erfasst und die Verhältnisse der Spannungen an den Spannungsabgriffen 6 zu der an dem Heizelement 4 abfallenden Spannung gebildet. Zusätzlich können auch die Verhältnisse der beiden Spannungen an den Spannungsabgriffen 6 gebildet werden. Diese werden mit den abgespeicherten

vorgegebenen Spannungsabgriffsgrenzwerten verglichen. Wenn einer der aktuellen Spannungsabgriffsgrenzwerte den entsprechend den vorgegebenen Spannungsabgriffswert überschreitet, veranlasst in analoger Weise die überwachungseinrichtung 8, dass das Relais 14 nicht mehr von einem elektrischen Strom durchflössen wird, so dass der Relaisschalter 16 öffnet und den Heizwiderstand 4 von der Spannungsversorgung trennt.

Damit erlaubt die erfindungsgemäße Heizvorrichtung einen zuverlässigen Schutz des Heizelementes vor überhitzung.

_{l C} N

BEZUGSZEICHENLISTE

Heizvorrichtung

4 Heizelement

6 Spannungsabgriff

8 Spannungseinrichtung

10 Standwiderstand

12 Wandlereinheit

14 Relais

16 Relaisschalter

20 Referenzspannung

22 Anschluss