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Temperatursteuervorrichtung, mit Bimetallfühler Die Erfindung bezieht
sich auf eine Temperatursteuervorrichtung mit einseitig befestigtem, streifenförmigem
Bimetallfühler.
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Temperaturempfindliche Bimetallelemente werden allgemein beim Betrieb
von Luftklimatisierungsanlagen verwendet, um die Abweichungen der Temperatur gegenüber
einem bestimmten Temperaturniveau zu messen bzw. festzustellen. Das Bimetallelement
liefert ein der Temperaturänderung proportionales Signal, das einer Stellvorrichtung
zugeführt wird, welche den Strom des zur Luftklimatisierung oder zum Austauschen
von Wärme dienenden Mediums steuert. Bei Anlagen, bei denen das Luftklimatisierungssystem
wahlweise zur Erwärmung als auch zur Abkühlung der Umgebungsluft benutzt werden
kann, ist es beim Umstellen eines Systems vom Heizbetrieb auf den Kühlbetrieb. und
umgekehrt bis jetzt üblich, entweder das Bimetallelement im Zeitpunkt der Umstellung
auszuwechseln oder das System mit zwei Regelventilen auszurüsten, von denen bei
jeder der beiden Betriebsweisen jeweils nur eines zur Wirkung kommt. Es liegt auf
der Fand, daß sich in beiden Fällen eine ziemlich komplizierte Konstruktion ergibt
und/oder daß im Zeitpunkt der Umstellung größere Wartungsarbeiten durchgeführt werden
müssen.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Vorrichtungen,
und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperatursteuervorrichtung mit einem Bimetallfühler
zu schaffen,, dessen temperaturabhängige Bewegungsrichtung wahlweise umkehrbar ist,
so daß mit nur einem Meßfühler und nur einer Stellvorrichtung die Anlage sowohl
zur Erwärmung als. auch zur Abkühlung der Raumluft betrieben werden kann. Der Bimetallfühler
soll also Steuersignale für die Zufuhr des Wärmeaustausch- bzw. Kühlmittels, zu
Heizzwecken als auch zu Kühlzwecken liefern.
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Die Erfindung geht von einer Temperatursteuervorrichtung mit einseitig
befestigtem, streifenförmigem Bimetallfühler aus und ist. dadurch gekennzeichnet,
daß das zu betätigende Steuer- oder Stellglied im mittleren Bereich des Bimetallstreifens,
angeordnet ist und dem freien Ende bzw. Endabschnitt des Bimetallstreifens eine
in und außer Arbeitsstellung zu bringende Halterung zugeordnet ist, durch welche
das freie Ende des Bimetallstreifens gegen Ausbiegung festzuhalten ist, um bei Temperaturänderung
in gleichbleibender Richtung die Bewegungsrichtung des mittleren Bereichs des Bimetallstreifens
umzukehren. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Bimetallstreifen bei festgehaltenem
Ende Signale entsprechend; seiner normalen Temperaturfunktion liefert; während er
bei nicht festgehaltenem freiem Ende Signale entsprechend einer inversen Funktion
liefert.
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Ausbildungsmerkmale der Erfindung enthalten die Unteransprüche.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt im Längsschnitt die erfindungsgemäße Temperatursteuervoirichtung
zur Verwendung bei einem pneumatischen Regelsystem; F i g.. 2 und 3 sind F i g.
1 entsprechende. verkürzte Längsschnitte, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung
im normal (F i g. 3) und: im invers (F i g. 2) wirkenden Betriebszustand zeigen;
F i g. 4 ist eine Seitenansicht auf die Temperatursteuervorrichtung; F i g. 5 ist
eine Stirnansicht einer Temperatursteuervorrichtung für den Einbau in ein Luftklimatisierungsgerät;
F i g.. f zeigt in einer Seitenansicht eine abgeänderte Ausbildungsform der Erfindung.
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Aus Gründen der Einfachheit wird die Biinetall-Temperatursteuervorrichtung
nach der Erfindung in Verbindung mit einem Luftklimatisierungssystem und dem zugehörigen
pneumatischen Regelaggregat beschrieben. Das insgesamt. mit 1ß bezeichnete Relaisaggregat
umfaßt ein Gehäuse 12 mit einer Bohrung oder Kammer 14, die über einen Einlaß 16
mit einer
hier nicht gezeigten Druckmittelquelle verbunden ist.
Die Kammer 14 steht mit einer druckbetätigten Regelvorrichtung, z. B. einem hier
nicht gezeigten Motorventil über einen Regel- oder Steuerdruckauslaß 20 in
Verbindung. In die Kammer 14 ist ein insgesamt mit 24 bezeichnetes Stellglied bzw.
Relais eingebaut, das durch die insgesamt mit 26 bezeichnete Temperatursteuervorrichtung
betätigt wird und temperaturabhängige Drucksignale liefert.
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Die erfindungsgemäße Temperatursteuervorrichtung umfaßt einen streifenförmigen
Bimetallfühler 44, der aus zwei Metallschichten 45 a und 45 b besteht.
Zur Vereinfachung sei angenommen, daß der Wärmeausdehnungsbeiwert der Schicht 45
a größer ist als derjenige der Schicht 45b. Der Bimetallfühler 44 wird an
seinem Ende 46 durch ein gegenüber dem Gehäuse 12 vorspringendes Säulenteil 48 unterstützt.
An einem Punkt 49 zwischen seinen Enden greift das Bimetallelement 44 an der Ventilkugel
des Relais 24 an.
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Der Bimetallfühler.44-ist an seinem anderen Ende 50 mit einer Kupplungskugel
52 versehen, die wahlweise mit einer Halterung 54 zusammenarbeiten kann. Die Halterung
54 ist zu diesem Zweck mittels eines pneumatischen--Stelhnotors 96, der von einem
Relais 56 gesteuert wird, verstellbar und kann zur Anlage am Ende 50 des Bimetallfühlers
gebracht bzw. davon abgehoben werden. Mit Hilfe einer Vorspanneinrichtung 58 wird
auf den Bimetallfühler 44 ein Moment aufgebracht, um eine Gleichgewichtstemperatur
«für- das Relaisaggregat 10 festzulegen.
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Die Halterung 54 umfaßt eine verstellbare Platte 60 mit einer Aufnahmeöffnung
62 für die Kupplungskugel 52. Bei der bevorzugten Ausbildungsform ist die Öffnung
62 so groß, -daß sie mit ihrem Rand auch dann, wenn der Bimetallfühler die eine
oder andere Grenzstellung einnimmt, mindestens an einemTeil der Kupplungskugel 52
angreifen kann. Wenn die Halterung 54 gemäß F i g. 1 weiter nach links gezogen und
vollständig in ihre Eingriffsstellung gebracht wird, bewegt sich die Kupplungskugel
52 nach Art eines Nockens über den Rand der Öffnung 62, bis die Kugel vollstäüdig
in der Öffnung liegt. Daher wird das Ende 50 des Bimetallfühlers, das mit der Kugel
52 verbunden ist, stets in die gleiche Einraststellung gedrückt, und zwar ohne Rücksicht
auf die Stellung des Bimetallfühlers im Zeitpunkt der Be= tätigung der Halterung
54.
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Die Platte 60 ist- an einer ortsfesten Platte 64 befestigt, die durch
eine Blattfeder 66 mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Die Blattfeder 66 kann auf
beliebige geeignete Weise befestigt- sein, z. B. mittels Schrauben 68 und Niete
70, und bildet eine einfache Scharnierverbindung zwischen der Halterung 54 und dem
Gehäuse 12.
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Die feststehende Platte 64 und die verstellbare Platte 60 sind beide
mit Öffnungen 70 a bzw. 72 versehen, in die eine Stellschraube 74 eingreift.
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Die verstellbare Platte 60 ist mit der ortsfesten Platte 64 durch
Niete 76 verbunden, die sich durch einen Schlitz 78 der Platte 60 erstrecken, so
daß die Platte 60 begrenzte Bewegungen gegenüber der ortsfesten Platte 64
ausführen kann. Zwischen den Köpfen der Niete 76 und der verstellbaren Platte 60
ist eine federnde Scheibe 80 angeordnet, um die Plätte 60 reibungsschlüssig
gegen die ortsfeste Platte 64
vorzuspannen. Infolgedessen kann die Platte
60 mit Hilfe der Schraube 74 in senkrechter Richtung genau eingestellt werden,-
so daß die Öffnung 62 mit der Kupplungskugel 52 fluchtet.
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Die Halterung 54 wird durch eine Schraubenfeder 82 in Richtung auf
den Bimetallfühler 44 angezogen. Das eine Ende der Feder 82 ist am Gehäuse 12 befestigt,
während ihr anderes Ende mit einem Auge 84 mit der ortsfesten Platte 64 verbunden
ist.
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Nachstehend wird die pneumatische Einrichtung beschrieben, 'mit der
die Halterung 54 wahlweise außer Eingriff mit dem Bimetallfühler 44 gebracht werden
kann. Das pneumatische Relais 56 umfaßt ein Ventilgehäuse 86, das in eine Bohrung
88 des Gehäuses 12 eingebaut ist. Die Bohrung 88 steht über einen Kanal 90, der
in dem Ventilgehäuse 86 - mündet, in Verbindung mit der Zuführungsdruckquelle. Das
Ventilgehäuse besitzt eine Bohrung 92 zum Aufnehmen eines Ventils 94. Die Bohrung
92 steht über Kanäle 98, 100 und 102 in Verbindung mit einem pneumatischen Stellmotor
96. Der Kanal 98 kann über ein Entlüftungsventil 99 mit der Atmosphäre verbunden
werden.
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Das Ventil 94 umfaßt eine ringförmige Membran 104, die an ihrem äußeren
Rand zwischen dem oberen Ende des Ventilgehäuses 86 und einer Schulter 106 des Gehäuses
12 eingespannt ist. Mit dem mittleren Teil der Membran 104 ist durch einen Fortsatz
110 ein Ventilkörper 108 verbunden, der eine Ventilkugel 112 aufnimmt, welche zur
Anlage am oberen Ende des Kanals 98 gebracht werden kann, um die Verbindung zwischen
der Zuführungsdruckquelle und dem Stellmotor 96 zu steuern. Das Ventil 94 wird durch
eine Schraubenfeder 114 zwischen dem Fortsatz 110 und einem verstellbaren Gewindestopfen
116 in Richtung auf seine geschlossene Stellung vor-: gespannt. Die Feder 114 drückt
die Ventilkugel 112 gegen ihren Sitz, bis ein Zuführungsdruck von bestimmter Größe
auf die Membran 104 wirkt; hierauf wird weiter unten näher eingegangen. Wenn
die Ventilkugel 112 von ihrem Sitz abgehoben wird, kann der Zuführungsdruck auf
den pneumatischen Stellmotor 96 wirken.
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Der Stellmotor 96 umfaßt eine Membran 118, die zusammen mit dem Gehäuse
12 eine Kammer 120 abgrenzt. Die Membran 118 ist mit ihrem äußeren Rand durch einen
Ring 122 mit dem Gehäuse 12 verspannt; der Ring 122 kann auf geeignete Weise, z.
B. durch Verstemmen oder eine Gewindeverbindung od. dgl., befestigt sein. Ferner
ist eine Stange 124 vorgesehen, deren eines Ende an der Membran 118 befestigt ist.
Das andere Ende der Stange 124 trägt einen Fortsatz 126, der von einer Öffnung 128
der ortsfesten Platte 64 aufgenommen wird.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise des Relais 56 und des Stellmotors
96 beschrieben, mittels deren die Halterung 54 außer Eingriff mit dem Bimetallfühler
44 gebracht wird. Allgemein sei bemerkt, daß beim Betrieb eines Luftklimatisierungssystems,
das wahlweise zum Heizen oder Kühlen benutzt werden kann, -bei den verschiedenen
Betriebsweisen jeweils ein anderer Zuführungsdruck verwendet wird. Während die Luftklimatisierungsanlage
dazu dient, die Umgebungsluft zu erwärmen, wird z. B. mit einem Zuführungsdruck
gearbeitet, der für die Zwecke der Beschreibung der Erfindung mit etwa 1,55 at angesetzt
wird. Wenn die Luftklimatisierungsanlage dagegen benutzt wird, um die Umgebungsluft
zu kühlen, wird angenommen, daß der Zuführungsdruck im allgemeinen niedriger- ist
und z. B. etwa 1,25 at beträgt.
Das Verfahren, mit zwei verschiedenen
Zuführungsdrücken zu arbeiten, ist bekannt, und normalerweise wird die Anlage mit
der Hand umgestellt, wenn von der Heizung auf die Kühlung oder umgekehrt übergegangen
werden soll.
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Die Feder 114 und die Membran 104 sind so ausgebildet, daß bei Beaufschlagung
mit einem höheren Druck der Ventilkörper 108 und die Ventilkugel 112 von ihrem Sitz
abgehoben werden, damit die Zuführungsdruckquelle mit der Kammer 120 verbunden wird.
Durch den Druck wird die Membran 118 nach rechts gedrückt, so daß die Stange 124
die Halterung 54 außer Eingriff mit der Kupplungskugel 52 bringt. Solange das Relais
mit dem höheren der beiden Drücke betrieben wird, ist daher der Bimetallfühler 44
nur an dem Ende 46 unterstützt.
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Wenn die Luftklimatisierungsanlage auf die Kühlung umgestellt wird,
läßt man den niedrigeren der beiden Zuführungsdrücke auf das Relais 56 wirken, der
aber nicht ausreicht, um die Ventilkugel 112 entgegen der Kraft der Schraubenfeder
114 von ihrem Sitz abzuheben. Da das Entlüftungsventil 99 vorhanden ist,
herrscht dann in den Kanälen 98, 100
und 102 sowie in der Kammer 120 Atmosphärendruck.
Infolgedessen wird die Halterung 54 in Eingriff mit der Kupplungskugel 52 gebracht,
und zwar durch die Schraubenfeder 82, so daß der Bimetallfühler 44 jetzt an beiden
Enden unterstützt wird.
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Die Vorspannungseinrichtung 58 umfaßt gemäß F i g. 5 einen Bügel von
rechteckiger Querschnittsform mit seitlichen Hebeln 132, einem oberen Querglied
134 und einem unteren Querglied 136. Das obere Querglied 134 ist gemäß F i g. 1
am Ende 50 des Bimetallfühlers 44 auf geeignete Weise befestigt und dient außerdem
zum Anbringen der Kupplungskugel 52. Das untere Querglied 136 ist mit einem kanalförmigen
Bauteil 138 auf geeignete Weise, z. B. durch Schweißen, verbunden.
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Das kanalförmige Bauteil 138 hat eine Öffnung 140 zum Aufnehmen des
Schaftes 142 eines Drehknopfes 144, der mit einem Gewindebolzen 146 versehen ist,
welcher an einem Glied 148 angreift. Das Glied 148 hat einen vieleckigen Querschnitt
und erstreckt sich durch einen Schlitz 150 des kanalförmigen Bauteils 138, wobei
die Querschnittsform des Gliedes 148 Drehbewegungen des Gliedes gegenüber dem Bauteil
138 verhindert.
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Das Glied 148 ist mit der Schraubenfeder 152 an dem hakenförmigen
Ende 156 der Feder durch eine Öffnung 154 verbunden. Das -andere Ende der
Schraubenfeder ist in einem Haken 158 eingehängt, der in einen Fortsatz 160 des
Gehäuses 12 eingebaut ist.
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Durch die Spannung der Feder 152 wird auf den Bimetallfühler über
den Hebel 132 ein Moment aufgebracht. Durch Drehen des Knopfes 144 ist es
möglich, die Spannung der Schraubenfeder 152 zu variieren.
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Wenn das Ende 50 des Bimetallfühlers nicht unterstützt wird, ist die
Kraft der Feder 152 bestrebt, das Ende 50 nach unten zu ziehen. Wenn das Ende 50
jedoch unterstützt wird, ist die Federkraft bestrebt, den mittleren Teil des Bimetallfühlers
nach oben durchzubiegen, denn das Ende 50 kann sich nicht nach unten bewegen. Auf
diese Weise ist es möglich, für die Steuervorrichtung 26 eine Gleichgewichtstemperatur
festzulegen.
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Die Vorspanneinrichtung 58 kann mit hier nicht gezeigten äußeren Mitteln
versehen sein, um die Gleichgewichtstemperatur einzustellen; diese mit dem Haken
158 zusammenarbeitenden Mittel können in Form eines geeichten Knopfes ausgebildet
sein, der auf der Luftklimatisierungsanlage angeordnet ist und von außen her verstellt
werden kann. Dieser geeichte Knopf würde mit geeigneten mechanischen Mitteln verbunden
sein, die es ermöglichen, den Haken 158 gemäß F i g. 1 nach rechts oder links zu
verstellen, damit die Vorspannung der Feder 152 variiert werden kann.
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Nachstehend wird an Hand von F i g. 2 und 3 die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Temperatursteuervorrichtung und des Relaisaggregats beschrieben. In F i g. 2 steht
die Halterung 54 außer Eingriff mit dem Ende 50 des Bimetallfühlers und der Kupplungskugel
52. Wie schon erwähnt, ist der Bimetallfühler 44 im Gleichgewichtszustand durch
das von der Vorspanneinrichtung 58 aufgebrachte Moment etwas nach unten durchgebogen.
Wenn der Bimetallfühler eine Temperaturerhöhung erfährt, biegt er sich weiter nach
unten durch, wie es bei 170 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Wenn
der Bimetallfühler jedoch eine Temperaturabnahme fühlt, biegt er sich weiter nach
oben durch, wie es in F i g. 2 durch eine gestrichelte Linie 172 angedeutet ist.
Es sei bemerkt, daß das Ausmaß dieser Durchbiegung in F i g. 2 übertrieben dargestellt
ist. Wenn sich der Bimetallfühler nach unten durchbiegt, bewegt sich der Angriffspunkt
49 in einer der Bewegung des Endes 50 entsprechenden Richtung, so daß das Relais
24 in der gleichen Richtung betätigt wird. Um einen Anhaltspunkt zu haben, wird
diese Bewegung auf das ortsfeste Ende 46 des Bimetallfühlers bezogen, d. h., bei
einer Temperaturerhöhung bewegt sich der Punkt 49 nach unten und bei einer Temperaturabnahme
nach oben.
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Wenn der Bimetallfühler gemäß F i g. 3 an beiden Enden unterstützt
ist, kann das Ende 50 keine Bewegung in der Durchbiegungsrichtung ausführen. Allerdings
kann sich das Ende 50 längs auf das feste Ende 46 zu und von diesem weg bewegen,
und die Kupplungskugel 52 kann sich drehen. Wenn der Bimetallfühler eine Temperaturerhöhung
fühlt, biegt er sich jetzt nach oben durch, wie dies in F i g. 3 durch die gestrichelte
Linie 174 angedeutet ist. Wenn der an beiden Enden unterstützte Bimetallfühler dagegen
eine Temperaturabnahme fühlt, biegt er sich nach unten durch, wie es in F i g. 3
durch die strichpunktierte Linie 176 angedeutet ist. Man .erkennt somit, daß die
temperaturabhängige Bewegungsrichtung des Punktes 49 beim Betriebszustand nach F
i g. 3 umgekehrt ist der nach F i g. 2. Entsprechend wird das Relais 24 einmal nach
der normalen, zum anderen nach der inversen Temperaturfunktion gesteuert.
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Für die Zwecke der Beschreibung sei angenommen, daß das Regelventil
bei einer Erhöhung des Regeldrucks weiter geschlossen und bei einer Abnahme des
Regeldrucks weiter geöffnet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel führt dann eine Temperaturerhöhung
bei einer Unterstützung des Bimetallfühlers an beiden Enden zu einer Abnahme des
Regeldrucks, da der Punkt 49 nach oben bewegt wird, so daß das Regelventil weiter
geöffnet wird, um dem Wärmeaustauscher eine größere Menge des Kühlmittels zuzuführen.
Umgekehrt wird bei Temperaturabnahme der Regeldruck entsprechend erhöht, da sich
der Punkt 49 nach unten bewegt, wobei das Regelventil teilweise
geschlossen
wird, um den dein Wärmeaustauscher zugeführten Kühlniittelstrom zu drosseln oder
zu verringern. Diese Betriebsweise wird als normale oder direkte Betriebsweise betrachtet,
denn die Menge des Regelmittels steht in einer direkten Beziehung zu den durch den
Bimetallfühler erfaßten Temperaturänderungen.
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Wenn der Bimetallfühler dagegen nur an einem Ende unterstützt wird,
bewirkt eine Temperaturerhöhung eine Steigung des Regeldrucks wegen der Abwärtsbewegung
des Punktes 49, wobei das Regelventil mindestens teilweise geschlossen, wird. Daher
wird die Zufuhr des Heizmittels zum Wärmeaustauscher verringert. Wenn -der Bimetallfühler
eine Temperaturabnahme erfaßt, wird der Regeldruck wegen der Aufwärtsbewegung des
Punktes 49 herabgesetzt, so daß sich das Regelventil weiter öffnen kann, um dem
Wärmeaustauscher eine größere Menge des Heizmittels zuzuführen. Bei dieser Betriebsweise
steht die Menge des Heizmittels in einer umgekehrten Beziehung zu .der durch den
Bimetallfühler erfaßten Temperaturänderung. Aus diesem Grunde wird. diese Betriebsweise
gewöhnlich als umgekehrte oder inverse Wirkungsweise bezeichnet.
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In Fig, 6 ist eine abgeänderte Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen
Temperatursteuervorrichtung gezeigt, bei der die Halterung 54 durch einen Elektromagneten
betätigt werden kann. In Fi g. 6 sind die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden
Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.. Die, abgeänderte Ausbildungsform
200 umfaßt einen Bimetallfühl.er 44, der mit einer Kupplungskugel
52 versehen ist, an welcher in der beschriebenen Weise die Halterung 54 wahlweise
angreifen kann. Der Bimetallfühler 44 ist zwischen seinen Enden mit einem elektrischen
Kontakt 202
versehen, welcher an einem Kontakt 204 angreifen kann,
der mit einer Einrichtung verbunden ist, die wahlweise durch einen elektrischen
Strom gesteuert wird. Aus Gründen der Einfachheit handelt es sich bei der .abgeänderten
Ausbildungsform nach F i g.. 6 um eine nur ein- und ausschaltbare Anordnung, doch
sei bemerkt, .daß man ebensogut ein proportional wirkendes System vorsehen könnte.
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Die Halterung 54 wird durch eine Druckfeder 2.0.6 in Richtung auf
ihre in F i g. 6 gezeigte geöffnete Stellung vorgespannt. Wenn die Halterung 54
an der Kupplungskugel 52 angreifen soll,, wird dem Elektromagneten 208 ein
Strom zugeführt. Der Elektromagnet. umfaßt eine Wicklung 210 und einen, Tauchkern
212,. der .durch eine Stange 214 mit .der Halterung 54 verbunden ist.
Die Stange 214 ragt durch eine: Öffnung 216 der Halterung: 5.4 und greift
über ein Kopfstück 21$. an der Halterung, 54 an. Wenn der Elektromagnet eingpsehaltet
wird; zieht. er den Tauchkern 212 nach links, so, daß die Halterung 54 @an der Kupplungskugel
52 angreift.
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Die Arbeitsweise des BimetaMühlers 44 ist im wesentlichen die gleiche;
und zwar ohne Rücksicht darauf, ob die Halterung 54 :elektrisch oder pneumatisch
oder durch beliebige andere geeignete Mittel betätigt wird. Das Einschalten des
Elektromagneten kann durch eine beliebige geeignete Schaltvorrichtung bewirkt werden,
und zwar auch durch eine handbetätigte Einrichtung, deren Betätigung in dem Zeitpunkt
erfolgt, in welchem das System vom Heizbetrieb auf den Kühlbetrieb oder umgekehrt
umgestellt werden soll.