Thyristoren in Durchlauferhitzern

Durchlauferhitzer scheinen sich nie zu ähneln. In Nordamerika, Europa, China und Brasilien gibt es jeweils große Unterschiede in der Konstruktion der Geräte. In Brasilien werden Durchlauferhitzer beispielsweise direkt in den Duschköpfen verbaut. Die Herausforderung für Zulieferer besteht daher darin, Lösungen anzubieten, die sich auf alle unterschiedlichen Bedingungen anpassen lassen. Thyristoren gehören auch heute noch zu einer der robustesten Schalttechnologien. Technologien, die auf Thyristoren basieren, eignen sich aus verschiedenen Gründen sehr gut für den Einsatz in elektrischen Durchlauferhitzern, was in diesem Artikel näher beschrieben wird.

Durchlauferhitzer tragen erheblich zur Steigerung der Energieeffizienz bei. Obwohl sie bei Technikfreaks nicht gerade Jubelstürme auslösen, ist es wichtig festzustellen, dass diese energieeffizienten Geräte die Lebensqualität steigern und Regionen mit Warmwasser versorgen, die ansonsten ohne heißes Wasser auskommen müssten.

Thyristoren gehören auch heute noch zu einer der robustesten Schalttechnologien.

Thyristoren gehören auch heute noch zu einer der robustesten Schalttechnologien.Littelfuse

Verglichen mit herkömmlichen Boilern erreichen elektrische Durchlauferhitzer Effizienzsteigerungen von bis zu 30 Prozent, da sie nur dann Strom verbrauchen, wenn Warmwasser benötigt wird. Zudem ermöglichen sie eine bessere, bis auf zwei Grad genaue Temperatursteuerung. Die Flexibilität herkömmlicher Boiler ist begrenzt und davon abhängig, wie viel Warmwasser genutzt wird.

Da Durchlauferhitzer recht klein sind, lassen sie sich quasi überall installieren, auch unmittelbar dort, wo das Warmwasser benötigt wird. Solange man über eine Energiequelle verfügt (unabhängig davon, ob Gas oder Strom), kann konstant temperiertes Warmwasser über eine unbegrenzte Dauer hinweg geliefert werden. Bei Boilern hingegen beginnt die Temperatur mit sinkendem Warmwasservorrat zu fallen. Dies kann neben einer kalten Dusche auch deutlich weitreichendere Folgen haben, unter anderem für Ärzte in abgelegenen Regionen, die auf eine konstante Wassertemperatur angewiesen sind. Auch aus kommerzieller Sicht bieten Durchlauferhitzer Vorteile. Beispielsweise können Hotels ihre Energieeffizienz deutlich steigern, indem sie direkt am Waschbecken oder einer Dusche einen Durchlauferhitzer anbringen.

Nicht viel mehr als ein mit Drähten umwickeltes Rohr

Das Ein- und Ausschalten der Heizelemente in einem elektrischen Durchlauferhitzer erfolgt über das Leistungsschaltgerät. Da es keinen Vorratsbehälter gibt, muss das Wasser innerhalb des relativ kleinen Gehäuses erhitzt werden. Hierzu ist am Gehäuse ein nach innen verlaufendes Rohr für kaltes Wasser und ein nach außen verlaufendes Rohr für warmes Wasser angebracht. Dazwischen befindet sich lediglich ein Wärmetauscher. Im Grunde genommen ist ein Durchlauferhitzer nicht viel mehr als ein mit Drähten umwickeltes Rohr.

Hotels beispielsweise können ihre Energieeffizienz deutlich steigern, indem sie direkt am Waschbecken oder einer Dusche einen Durchlauferhitzer anbringen.

Hotels beispielsweise können ihre Energieeffizienz deutlich steigern, indem sie direkt am Waschbecken oder einer Dusche einen Durchlauferhitzer anbringen.Littelfuse

Halbleiterschalter, die Thyristor-basierte Technologie verwenden, sind aus verschiedenen Gründen sehr gut für elektrische Durchlauferhitzer geeignet. Zum einen gehören Thyristoren auch heute noch zu einer der robustesten Schalttechnologien. Sie steuern die Heizelemente, die bestimmen, wie stark und wie lange geheizt wird. Vorher muss allerdings ein Temperatursensor die Temperatur messen und feststellen, dass kaltes Wasser eingespeist wird.

Zwar könnten auch andere Leistungsschaltgeräte wie Schaltrelais oder MOSFETs genutzt werden, um unter diesen rauen Bedingungen dieselbe Funktion wie Thyristoren auszuüben, sie wären jedoch im Laufe der Zeit deutlich unzuverlässiger. Thyristoren sind für diesen Einsatz geeignet, da sie kostengünstig, leicht steuerbar und hinsichtlich Zuverlässigkeit und Transientenschutz äußerst robust sind. Außerdem sind sie hinsichtlich Stromstoß- und Überspannungsverhalten sehr widerstandsfähig und benötigen auch unter schwierigsten Einsatzbedingungen kaum internen Schutz.

Durchlauferhitzer tragen erheblich zur Steigerung der Energieeffizienz bei.

Durchlauferhitzer tragen erheblich zur Steigerung der Energieeffizienz bei.Littelfuse

Da es mit dem auf eine Nennleistung von 90 A ausgelegten antiparallel geschalteten Thyristormodul von Littelfuse möglich ist, bei gleichem Platzbedarf die Nennleistung zu erhöhen, kann dieses Modul in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. In dem Einsatzbeispiel des Durchlauferhitzers waren die Entwicklungskosten sehr gering. Mit einfachen Modulen ließ sich eine recht simple Lösung realisieren. Im Gegensatz zu Geschirrspülern, die eine Vielzahl unterschiedlicher Steuerelemente und Bauteile enthalten, handelt es sich bei Durchlauferhitzern um eine eher einfache Anwendung. Meist besitzen sie eine Steuerplatine mit einem Mikrosteuergerät, einigen Sensoren und weiteren Schaltelementen.

Ein weiterer Pluspunkt von Thyristoren ist, dass sie auf eine unbegrenzte Nutzung ausgelegt sind und damit keine festgelegte Laufzeit haben. Für gewöhnliche elektrische Durchlauferhitzer besteht in der Regel eine Gewährleistungsdauer von drei bis zehn Jahren.

Ein Beispiel aus der Praxis

Ein führender weltweit tätiger Hersteller von Durchlauferhitzern kontaktierte Littelfuse vor Kurzem, wegen unzuverlässigen elektrischen Verbindungen. Die Leistungsschaltgeräte waren dabei in einem gewissen Abstand von der Steuerplatine auf den Kaltwassereingangsrohren angebracht, um für Kühlung zu sorgen und die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Um die Kühlung der Halbleiterleistungsschalter und die Verbindung von der Steuerplatine zu den Leistungsbauelementen zu gewährleisten, musste das Unternehmen Drähte verlegen und selbst Zwischenverbindungen installieren. Daraus resultierten Probleme mit den Zwischenverbindungen, da diese aufgrund der Installationsmethode im Laufe der Zeit störanfällig wurden. Basierend auf der Fragestellung wie die Zwischenverbindungen gegen robustere Schraubanschlüsse ausgetauscht werden könnten, bot Littelfuse ein Standardpaket aus Halbleitern und Schraubanschlüssen an. Dies reduzierte die Montagezeit, die Anzahl der Bauteile und den Platzbedarf. Insgesamt konnten damit drei Probleme gelöst werden. Das dringlichste Problem waren die störanfälligen Zwischenverbindungen. Littelfuse konnte außerdem integrierte Halbleiter anbieten, mit deren Zusatznutzen das Unternehmen anfangs nicht gerechnet hatte. So war der Kunde in der Lage, einen Durchlauferhitzer zu entwerfen, der bei identischem Gehäusevolumen eine höhere Wattzahl aufweist und das bestehende Modell ersetzt. Nun wird ein Modell mit 17 kW in der gleichen Größe wie das 13-kW-Modell angeboten und das Problem unzuverlässiger Zwischenverbindungen ist gelöst.