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Raumtemperaturregler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Raumtemperatuiregler mit einem auf die Raumtemperatur ansprechenden Fühler und einer auf diesen Fühler selbst einwirkenden Heizung als thermische Rückführung.
Bei Reglern bekannter Art kann der Fall eintreten, dass, bedingt durch die Trägheit der Wärme- übertragung, die Wärmezufuhr über das zur Aufrechterhaltung der Solltemperatur erforderliche Mass vergrössert bzw. unter das Mass verringert wird, so dass die Temperatur zunächst weit über den gewünschten Wert ansteigt bzw. unter ihn fällt. Die Regelgrösse führt dabei eine Schwingung um den dazwischenliegenden Sollwert aus, derer sinusförmiger zeitlicher Verlauf durch den Maximalausschlag (Amplitude) und die Frequenz (Wellenlänge) gekennzeichnet werden kann. Man hat daher zum Zweck der Stabilisierung des Regelvorganges die elektrische Zusatzheizung des mechanischen Fühlers eingeführt.
Durch die thermische Rückführung mittels dieser Zusatzheizung wird die Dauer der einzelnen Regelschritte je nach der Heizleistung mehr oder weniger verkürzt und somit die Raumtemperatur stabiler gehalten. Sinkt beispielsweise die Temperatur des beheizten Raumes unter das Mindestmass, so werden der Steuerstromkreis geschlossen und die Zusatzheizung des Fühlers eingeschaltet. Die Heizleistung der entsprechendenWick- lung hat eine beschleunigte Rückführung des Fühlers zur Folge. Die Regelungsschwankungen oder Pendelungen werden somit verringert.
Eine schnelle Einstellung des gewünschten Sollwertes wird durch die Rückführung vorgetäuscht. In dem Masse, wie sich der wirkliche Regelwert dem Sollzustand nähert, wird die durch die Rückführung erreichte Fälschung des Sollwertes wieder eliminiert, so dass im Endzustand ein annähernder Gleichgewichtspunkt erreicht wird.
Die bekannten Raumthermostate mit thermischer Rückführung weisen aber durchwegs einen Nachteil auf. Die Wirkung der Rückführung führt zu einer Ungleichförmigkeit des Regelvorganges. Der eingestellte Sollwert wird belastungsabhängig, so dass die Solltemperatur im Raum bei grösseren Schwankungen der Aussentemperatur nicht eingehalten, sondern verlagert wird. Bei tiefer Aussentemperatur und somit höherem Heizbedarf des Raumes bleibt die Heizung des Bimetallstreifens bedeutend länger eingeschaltet als ausgeschaltet. Je tiefer die Aussentemperatur sinkt, umso länger wird das Bimetall beheizt, bis sogar der Grenzfall eintritt, bei welchem die Aussentemperatur so tief ist, dass die Heizung des Fühlers überhaupt nicht mehr ausgeschaltet wird.
Die Temperatur im Inneren des Thermostats liegt aber, infolge der längeren Emit- zungszeit der Hilfsheizung, über der zu regelnden Raumtemperatur. Das Bimetall des Thermostats richtet sich aber nach dem eingestellten Sollwert, so dass die Temperatur des beheizten Raumes im Verhältnis zum Absinken der Aussentemperatur unter der Solltemperatur liegt.
Die Temperatur im beheizten Raum sinkt demzufolge bei steigender Last und nimmt schliesslich einen im Vergleich zu dem am Thermostat eingestellten Sollwert mehr oder weniger niedrigeren Wert an.
Gerade bei kalter Witterung wird aber diese physikalisch bedingte Verlagerung der im Raum gewünschten Solltemperatur als unangenehm empfunden. Eine Erhöhung des Sollwertes am Thermostat, z. B. von + 200 C auf + 220 C stellt die einzige Massnahme dar, die Temperatur im Raum wieder auf den ge- wünschten Wert + 200 C zu bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verlagerung der Solltemperatur im Raum mit einfachen Mitteln zu verhindern und somit die Belastungsunabhängigkeit des Sollwertes zu ermöglichen. Gemäss der Erfindung ist eine zusätzliche Kompensationsheizung vorgesehen, deren Heizstromkreis im Aussetzintervall der thermischen Rückführung geschlossen ist und durch deren Bemessung der Verlauf der
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Raumtemperatur in Abhängigkeit vom Heizbedarf des Raumes bestimmt wird.
Der Kompensationswiderstand ist nicht als gewöhnlicher Aufheizwiderstand zu betrachten, sondern als eine Art Ausgleich wärmespeicher mit relativ grosser Wärmekapazität. Obwohl dieser Kompensationswiderstand nur während der Ausschaltzeit des Bimetallrückführwiderstandes an Spannung liegt, muss die Wärmeausstrahlung bzw.-abgabe der beispielsweise im Marmorstaub eingebetteten Kompensationsheizwicklung während der ganzen Regelperiode (Ein-und Ausschaltzeit)'gleichmässig wirken.
Es ist dabei noch ausdrücklich zu bemerken, dass die Kompensationsheizung nur während des Aussetzintervalles der thermischen Rückführung eingeschaltet wird, damit die in kcal abgegebene Heizleistung eine der Regelperiode (Ein- und Ausschaltzeit) entsprechende Bimetalltemperaturüberhöhung bzw.
- fälschung ermöglicht. Durch eine Dauerheizung wäre hingegen eine variierende TemperaturbeeiIlf1us -
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Kompensation der variierenden Bimetalldirektheizung ausgeschlossen.
Im folgenden soll an Hand der anliegenden Zeichnungen die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. l ein Ausführungsbeispiel eines zum Stande der Technik gehörenden Raumthermostats mit thermischer Rückführung, Fig. 2 zwei Kurven zur theoretischen Erklärung der Regelverhältnisse bei Raumthermostaten mit thermischer Rückführung, Fig. 3 die schematische Darstellung eines Raumthermostats mit thermischer Rückführung und der erfindungsgemässen Kompensationsheizung, Fig. 4 ein Schaltungsschema.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellungsweise den Aufbau und die Wirkungsweise eines Raumthermostats mit thermischer Rückführung bekannter Art. Sowohl die Isoliergrundplatte als auch der Aussendeckel sind nicht näher dargestellt.
Der Raumthermostat weist ein temperaturempfindliches Element 1 auf, das vorzugsweise aus einem
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kannzwischen die Leiter 3 und 4 eines elektrischen Netzes schalten.
Das eine Ende des Bimetallstreifens 1 ist an einem Stab 5 befestigt, welch letzterer mittels eines Nockens 6 eingestellt wird. Die Blattfeder 7 des Streifens 1 trägt ein Paar Kontaktstücke 8 und 9, die mit den ortsfesten Kontaktstücken 10 und 11 zusammenwirken. Der Kontakt 11 könnte beispielsweise als Umschaltkontakt, z. B. für Signalisierüng, verwendet werden.
Ein Magnet 12 ist derart angeordnet, dass bei Berührung der Kontaktstücke 8 oder 10 die Blattfeder 7 nahe an die Pole des Magneten 12 gebracht wird, um von diesem angezogen zu werden, so dass die Kontaktstücke 8 und 10 so lange in Eingriff gehalten werden, bis eine auf den Streifen 1 wirkende Temperaturäriderung eine hinreichende Kraft in entgegengesetzter Richtung ausübt, um die magnetische Anziehung zu überwinden und das Kontaktstück 8'von den : Kontaktstück 10 abzuschnellen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 soll nun an Hand der beiden Kurven a und b versucht werden, die theoretischen Regelverhältnisse beim Raumthermostat mit thermische : Rückführung im allgemeinen und die zwangsläufige Verlagerung des Sollwertes im Raum bei extremer Witterung im speziellen zu erklären.
Die Kurve a stellt die Funktion des Einschaltverhältnisses E zur Raumtemperatur dar, während die Kurve b ein Bild des Einschaltverhältnisses E zur Schaltperiodendauer ergibt. Diese Kurven a und b lassen sich sowohl rechnerisch als auch versuchsweise genau ableiten, so dass die folgenden Erklärungen lediglich die vorhandenen Erkenntnisse darlegen.
Das Einschaltverhältnis wird wie folgt definiert :
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wobei Te = Einschalt-bzw. Heizzeit, Ta = Ausschalt- bzw. Kühlzeit, To=Te+Ta = Schaltperiode gedeutet.
Auf der den beiden Kurven gemeinsamen Ordinatenachse ist das Einschaltverhältnis E aufgetragen, welches zwischen 0 und 1 variieren kann. Die Kurve a ist symmetrisch um den Koordinatenpunkt A, der durch das mittlere Einschaltverhältnis E = 0,5 und die mittlere eingestellte Solltemperatur Destimmt ist.
Die Kurve b hingegen ist um die durch A'gehende Abszisse achsensymmetrisch. Für den Spezialfall, bei welchem die Einschalt- und die Ausschaltzeit der Schaltperiode von gleicher Lauer sind, befindet sich die Raumtemperatur auf dem gewünschten Mittelwert von beispielsweise 200 C, wie dies aus der Kurve a ersichtlich ist. Der Kurve b ist dabei zu entnehmen, dass für diesen Spezialfall E = 0,5 auch die kürzeste
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Schaltperiode To zu verzeichnen ist.
Bei steigender Last wird die Einschaltzeit im Verhältnis zur Ausschaltzeit immer länger, so dass das Verhältnis E gegen den Grenzwert 1 rückt. Der Punkt B stellt in der Kurve a diese Situation beispielsweise dar, während der zugehörige Punkt B'der Kurve b die entsprechende Schaltperiodendauer angibt. Die Raumtemperatur ist dabei bereits im vorliegenden Fall von 200 C auf 18 C gesunken, während die Schaltperiode von 17 auf 22 Minuten entsprechend länger wurde.
Bei weiterem Aussentemperaturabfall kann der Grenzfall E = 1 eintreten, bei welchem die Heizwicklung überhaupt nicht mehr ausgeschaltet wird. Abgesehen von diesem Grenzfall wird aber im allgemeinen die Temperatur im Innern des Rturntherrnostats während der Einschaltzeit der Steuerkontakte bzw. der Heizwicklung den eingestellten Sollwert 200 C erreichen, so dass das Bimetallband auch bei tiefer Aussentemperatur auf den Gegenkontakt zu kippen vermag.
Da das Bimetallband aber von zwei Seiten beeinflusst wird, nämlich einerseits von der Raumtemperatur und anderseits von der Zusatzheizung, so spricht es auf die sich aus diesen beiden Quellen ergebende Endtemperatur an. Es ist deshalb ohne weiteres verständlich, dass der Raumthermostat den eingestellten Sollwert einhält, während die Temperatur im Raum um einige Grade tiefer liegt.
Die Fig. 3 zeigt nun einen erfindungsgemässen Raumtemperaturregler in schematischer Darstellung.
Neben der Rückführheizwicklung 2, die sich offen in der nächsten Umgebung des Bimetallstreifens befindet, ist eine zusätzliche Kompensationsheizwicklung 13 vorgesehen. Dieser neue zusätzliche Reiz- widerstand 13 wird vorzugsweise unter der Grundplatte 14 in einer für die Wärmespeicherung geeigneten Masse 15 eingebettet. Diese wärmeaufspeichernde Masse. 15 kann beispielsweise aus Marmorstaub bestehen, der mit synthetischem Harz verbunden werden kann.
Es sind dabei die beiden Heizungen genau auseinanderzuhalten. Die erste Rückführ- oder Beschleunigungsheizung geht aus der obigen Beschreibung der thermischen Rückführung hervor. Die Kompensationsheizung wirkt hingegen als eine Art Ausgleichwärmespeicher.
Bei geschlossenem Steuerkreis wird der Bimetallstreifen 1 durch die Rückführheizung 2 beheizt. Durch diese Rückführung wird die Dauer der einzelnen Regelschritte verkürzt und somit die Schwankungen der Raumtemperatur verkleinert. Bei der Schalteröffnung wird die Rückführheizung ausgeschaltet und die Kompensationsheizung eingeschaltet. Dieser neue Ausgleichwiderstand besitzt im Verhältnis zum ersten Rückführwiderstand eine relativ grosse Wärmekapazität und sollte nicht nur während der Einschaltzeit sondern auch während der Ausschaltzeit eine mehr oder weniger gleichmässige Wärmeausstrahlung ermöglichen.
Die Heizung im Innern des Thermostats besteht somit aus zwei verschiedenen Teilen, von denen bei Solltemperatur die Kompensationsheizung eingeschaltet ist, während beim Schliessen des Steuerstromkreises die direkte Rückführheizung eingeschaltet ist.
Der bei Absinken der Aussentemperatur auftretenden, hauptsächlich durch die längere Einschaltdauer der Rückführheizung bedingten Differenz zwischen der Temperatur des Reglers und der Raumtemperatur wird eine annähernd ebenso grosse Differenz dieser Temperaturen auch in jenen Fällen entgegengestellt, in denen die Aussentemperatur nur geringfügig niedriger ist als die Raumtemperatur, wobei die Temperatur des Reglers wegen der kurzen Einschaltdauer weniger von der Rückführheizung als von der Kompensationsheizung beeinflusst wird, die wegen der sodann längeren Ausschaltzeit der Rückführheizung und infolge ihres wärmespeichernden Mantels gleichmässig mehr Wärme als im vorhergehenden Fall abgibt.
Damit bleibt die resultierende Übertemperatur des wärmeempfindlichen Bimetallstreifens gegenüber der Raumtemperatur bei jedem Einschaltverhältnis E praktisch gleich.
Beide Heizungen zusammen bewirken somit eine mittlere Temperaturüberhöhung im Innern des Ther- mostats, welche aber durch entsprechende Eichung bzw. Justierung berücksichtigt werden kann.
Je nach der Dimensionierung der Kompensationsheizleistung zur Rückführheizleistung wird die mittlere Temperaturüberhöhung mit dem Einschaltverhältnis E ansteigen, konstant bleiben. oder absinken. Dabei ist vorzugsweise anzustreben, dass die Temperaturüberhöhung bei steigendem Einschaltverhältnis E entweder konstant bleibt oder absinkt, damit die geregelte Raumtemperatur ihrerseits entweder konstant bleibt oder mit zunehmender Heizlast- (wachsendes Einschaltverhältnis E) ansteigt.
Die Schaltung der beiden elektrischen Zusatzheizungen ist in Fig. 4 beispielsweise dargestellt.
Sinkt-die Raumtemperatur, so wird durch den vom Bimetallstreifen beeinflussten beweglichen Kontakt 8 der feste Kontakt 10 geschlossen. Dadurch wird die Rückführheizung 2 eingeschaltet und im Sinne des Pfeils 16 ein Stellorgan betätigt. Solange aber die Raumtemperatur den Sollwert einhält, erfolgt keine Regelung. Der bewegliche Kontakt 9 schliesst den Kontakt 11 und die Kompensationsheizung 13 ist eingeschaltet.
Es ist offenbar ohne weiteres möglich, die Idee des Ausgleichs-bzw. Kompensationswiderstandes auch für Feuchtigkeits- und Druckregler zu verwenden.
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Auf eine weitere Einzelheit ist insofern hinzuweisen, dass die Verwendung eines Kompensationswiderstandes in Verbindung mit der thermischen Rückführung auch bei der Regelung von Kühlräumen vorteilhaft ist. Es müsste aber den gegebenen Verhältnissen entsprechend der Bimetallstreifen im Öffnungszustand direkt beheizt werden, während der Kompensationswiderstand entsprechend bei geschlossenen Schalterkontakten eingeschaltet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Raumtemperaturregler mit einem auf die Raumtemperatur ansprechenden Fühler und einer auf diesen Fühler selbst einwirkenden Heizung als thermische Rückführung, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Kompensationsheizung vorgesehen ist, deren Heizstromkreis im Aussetzintervall der thermi- schen Rückführung geschlossen ist und durch deren Bemessung der Verlauf der Raumtemperatur in Abhängigkeit vom Heizbedarf des Raumes bestimmt wira.