DE1501168B2

DE1501168B2 - Messfuehler fuer eine den kuehlmittelstrom zu einem raum, insbesondere den elektronikgeraeteraum eines strahlflugzeuges, regelnden regeleinrichtung

Info

Publication number: DE1501168B2
Application number: DE1966V0032623
Authority: DE
Inventors: Paul Gasper Glenview Hl. Salerno (V.SLA.)
Original assignee: Vapor Corp., Chicago, 111. (V.St.A.)
Priority date: 1965-12-28
Filing date: 1966-12-23
Publication date: 1977-04-07
Also published as: NL6616814A; GB1107949A; US3361348A; DE1501168A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler für eine den Kühlmittelstrom zu einem Raum, insbesondere dem Elektronikgeräteraum eines Strahlflugzeuges, regelnden Regeleinrichtung mit einem im Kühlmittelstrom angeordneten Heizelement und einem daneben angeordneten Temperaturmeßelement.

Es sind Regeleinrichtungen zum Regeln des Kühlmittelstromes zu einem Raum bekannt, die einen im Kühlmittelstrom angeordneten Meßfühler aufweisen, der zur Bestimmung der Kühlkapazität des Kühlmittelstroms auf dessen Temperatur und Massefluß (Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Dichte) anspricht und der über einen entsprechenden Regelkreis beispielsweise eine Klappe im Kühlmittelstrom entsprechend verstellt (britische Patentschrift 9 67 494 bzw. USA-Patentschrift 32 02 209). Der hierbei verwendete Meßfühler besteht hierbei aus einem Temperaturmeßelement in Form eines Thermistors, der im selbstheizenden Bereich betrieben ist, also zugleich als Heizelement wirkt (britische Patentschrift 9 67 494). Die Ansprechempfindlichkeit dieser bekannten Meßfühler hängt in starkem Maße ab von der jeweiligen Montage im Kühlmittelstrom und auch von der Führung des Kühlmittelstroms in dem Zuführkanal. Beim Austausch eines fehlerhaften Meßfühlers bei den bekannten Regeleinrichtungen ist daher immer erst eine neue sorgfältige Einstellung des Regelkreises nötig, was sehr umständlich und zeitraubend ist. Oftmals werden bei einer solchen Regeleinrichtung auch mehrere solche Meßfühler eingesetzt, die in ihrer Empfindlichkeit aufeinander abgestimmt sein müssen. Auch dies ist mit den bekannten Meßfühlern sehr schwierig durchführbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Meßfühler für einen Kühlmittel-Regelkreis der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der sehr einfach und schnell in seiner Empfindlichkeit einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Meßfühler der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des ίο Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen Meßfühler kann durch Einstellen der Eintrittsöffnung bzw. der Eintrittsöffnungen des Schutzgehäuses genau die Kühlmittelmenge einreguliert werden, die das Heiz- und Temperaturmeß-Element umspült. Damit kann die Empfindlichkeit des Meßfühlers genau einreguliert werden, was besonders von Vorteil ist, wenn in einer größeren Anlage mehrere aufeinander abzustimmende Meßfühler dieser Art eingesetzt werden oder wenn beim Ersatz eines Meßfühlers durch einen anderen die Regeleinrichtung wieder abgestimmt werden soll. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist das Heizelement und das zugeordnete Temperaturmeßelement auch immer unabhängig von der Winkelstellung des Meßfühlers innerhalb des Kühlmittelzufuhrkanals immer der gleichen Luftströmung ausgesetzt, und es können mit einem erfindungsgemäßen Meßfühler deshalb auch wesentlich stabilere Regelkreise aufgebaut werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es stellen dar:

F i g. 1 ein Blockschaubild der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Kühlcharakteristik eines von durchgeleiteter Luft gekühlten Raums, in dem eine Reihe Geräte eine zeitlich etwa konstante Wärmemenge erzeugen,

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Kühlkapazitätsfühler, wie er in der Regeleinrichtung gemäß F i g. 1 verwendet ist,

Fig.4 einen Querschnitt durch den Fühler nach der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 ein die Wicklungen des Fühlers umgebendes Schutzgehäuse und

F i g. 6 einen Querschnitt durch die Wicklungen des Fühlers.

Wie bereits erwähnt, ist die Kühlkapazität des Kühlmittels, wie beispielsweise Luft, eine Funktion seiner Temperatur und seines Masseflusses, gegeben durch seine Dichte und seine Geschwindigkeit. Für die folgende Darstellung sei angenommen, daß die Aufgabe besteht, einen geringstmöglichen Kühlluftstrom durch einen wärmeerzeugende elektronische Geräte enthaltenden Raum zu leiten und diesen auf eine konstante Temperatur zu kühlen, bei der die vom Kühlluftstrom abgeführte Wärmemenge der von den elektronischen Geräten erzeugten Wärmemenge gleicht. Es ist bekannt, daß die vom durch den Raum strömenden Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge Q gleich dem durchströmenden Massefluß M multipliziert mit der spezifischen Wärme des Kühlmittels c_p und der Temperaturänderung t_a—t_c des Kühlmittels bei der f>5 Strömung durch den Raum ist. Die mathematische Beziehung lautet:

15 Ol

Beträgt die im Raum erzeugte Wärmemenge beispielsweise 480 kcal/min und die zur ausreichenden Wärmeabfuhr erforderliche Auslaßtemperatur f_a des Kühlmittels 71⁰C, so ergibt sich, eingesetzt in die obige Gleichung der Massefluß Mzu:

.. 480

M ₌

0,24(71-;₍.) '

Die Abhängigkeit des erforderlichen Kühlmittel-Masseflusses M durch den Raum von seiner Einlaßtemperatur t_e ist in Fig.2 dargestellt, siehe Kurve 20. Man entnimmt diesem Diagramm, daß mit abnehmender Einlaßtemperatur t_e der durch den Raum zu leitende Kühlmittelmassefluß M ebenfalls abnimmt. Liegt der Massefluß bei einer gegebenen Einlaßtemperatur t_e oberhalb der Kurve 20, dann wird mit Luftüberschuß gearbeitet. Andererseits ist der erforderliche Massefluß zu niedrig, wenn bei einer gegebenen Einlaßtemperatur i_eder Massefluß unterhalb Kurve 20 liegt.

Will man also Kühlmittel sparen, dann sollte der Kühlmittelstrom so geregelt werden, daß die jweils eingestellten Zustände auf der Kurve der F i g. 2 liegen. Die für den jeweiligen zu kühlenden Raum gegebenen Erfordernisse (Größe, erzeugte Wärmemenge, zulässige Kühlmittelauslaßtemperatur usw.) bestimmen selbstverständlich die Kurve, nach der die Regeleinrichtung zur Erzielung eines höchstmöglichen Wirkungsgrades zu betreiben ist.

Die in F i g. 1 dargestellte Regeleinrichtung läßt einen geregelten Kühlmittelstrom in einen Raum 10, in dem wärmeerzeugende Geräte 12, beispielsweise elektronische Geräte, untergebracht sind, durch die Leitung 14 eintreten, in der ein Fühler bzw. Meßkopf 16 zur Bestimmung der Kühlkapazität des Kühlmittelstroms angeordnet ist. Der Fühler 16 steuert eine Steuereinrichtung 18 an, von der aus der Kühlmittelstrom mittels der Drosselklappe 42 in der Leitung 14 so geregelt wird, daß dessen Kühlkapazität auf einem konstanten Wert gehalten bleibt.

Der Fühler 16 weist in der dargestellten Ausführungsform eine an eine Stromquelle 24 anschließbare Heizeinrichtung mit einer Wicklung 22 aus einem temperaturempfindlichen Widerstandsheizleiter auf. Mit Abstand von der Wicklung 22 und mit dieser thermisch verbunden ist eine Überhitzungsmeßwicklung 26 aus einem temperaturempfindlichen Widerstandsdraht vorgesehen, an die ein Überhitzungsanzeiger 28 normaler Bauart angeschlossen ist, der in geeigneter Weise anzeigt, wann die auf die Überhitzungjentwicklung 26 von der Heizwicklung 22 übergehende Wärmemenge bzw. der dadurch bewirkte Temperaturanstieg einen vorbestimmten Wert überschreitet. Mit Abstand von der Heizeinrichtung 22 und mit dieser thermisch verbunden ist außerdem eine temperaturempfindliche Meßeinrichtung in Form einer Fühlerwicklung 30 aus einem temperaturempfindlichen Leiter, wie einem Widerstandsdraht, vorgesehen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Fühlers 16 ist in Fig.3 dargestellt. Die Fühlerwicklung 30 zur no Temperaturmessung der Heizwicklung liegt an einer Wheatstoneschen-Brücke 32 zur Bestimmung von deren Widerstandsveränderungen, die auf einen Verstärker 34 mit hohem Verstärkungsverhältnis angegeben werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 34 gelangt an einen fts üblichen elektropneumatischen Umsetzer 36, der über eine Leitung 38 an eine nicht dargestellte Druckluftquelle angeschlossen ist.

Zur Regelung des Kühlmittelmasseflusses durch die Leitung 14 aufgrund des Ausgangssignals des Umsetzers 36 dient die Steuereinrichtung 18 für die schwenkbare Klappe (Drosselklappe) 42 in der Leitung 14 mit einem üblichen, vom Umsetzer 36 steuerbaren pneumatischen Stellglied 44.

Die Fühlerwicklung 30, die Heizwicklung 22 und die Überhitzungsmeßwicklung 26 sind auf einem Stützteil 46 in Form eines starren länglichen Doms aus Isolationsmaterial in einer Umfangsausnehmung 48 an dessem vorderen Ende übereinander angeordnet.

Wie insbesondere aus Fig.6 hervorgeht, ist die Überhitzungsmeßwicklung 26, beispielsweise aus Nikkei- oder einem anderen Widerstandsdraht, in einer einzigen Wicklungslage auf das Stützteil 46 aufgewikkelt. Über die Überhitzungsmeßwicklung 26 ist unter Zwischenlage eines entsprechenden Isolators die Fühlerwicklung 30 aus mehreren Windungen eines temperaturempfindlichen Leiters, wie beispielsweise Nickeldraht, gewickelt. Die Heizwicklung 22 aus Widerstandsheizleiterwindungen ist, ebenfalls unter Zwischenlage eines Isolators, auf die Fühlerwicklung 30 aufgewickelt. Jeder Wicklungsanschluß ist durch eine von vier gegeneinander versetzten und zur Mittelachse des Stützteils 46 parallelen Längsrillen 50 geführt. An die im Stützteil 46 in Umfangsrilien 54 angeordneten Lötanschlüsse 52 sind die Anschlußdrahtenden angelötet und ferner Anschlußdrähte 56. Das Stützteil 46 ist in einem am einen Ende verschlossenen vorderen Rohrabschnitt 58 eines rohrförmigen Schutzgehäuses 60 angeordnet. Im Betrieb ist der Rohrabschnitt 58 in der Kühlmittelleitung 14 quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Das vordere Ende des Stützteils 46 weist eine Spitze 48 und die Innenfläche des verschlossenen vorderen Endes des Rohrabschnitts 58 einen hierzu passenden konischen Rezess 61 auf, um das vordere Ende des Stützteils 46 in richtiger Lage zu halten. Das hintere offene Ende des Rohrabschnitts 58 geht in einen Flansch 62 über. Um das Gehäuse 60 in der Wandung der Leitung 14 leicht befestigen zu können, ist in die Außenwand des Rohrabschnitts 58 neben dem Flansch 62 ein Gewinde 63 geschnitten, siehe F i g. 3.

Neben dem geschlossenen Vorderende des Rohrabschnitts 58 ist eine Luftöffnung 64 vorgesehen, durch welche das Kühlmittel durch den Rohrabschnitt 58 und um die Wicklungen 26, 30 und 22 herumströmen kann. Um die Turbulenz der durch den Rohrabschnitt 58 strömenden Luft so niedrig wie möglich zu halten und um völlige Freiheit in der radialen Anordnung des Fühlers 16 innerhalb der Kühlmittelleitung 14 zu haben, ist die Luftöffnung 64 in Form mehrerer eng nebeneinanderliegender schraubenförmig verlaufender Längsschlitze 66 ausgebildet, siehe F i g. 5. Jeder Schlitz ist vorzugsweise so lang ausgeführt und unter einem solchen Winkel angeordnet, daß die ganze Heizwicklung 22 in diagonaler Richtung über einen durch die Mittellinie gehenden ganzen Querschnitt, siehe die gestrichelte Umfangslinie 67 in Fig.5, der Kühlluft ausgesetzt ist. Abstand und Breite der Schlitze sind so aufeinander abgestimmt, daß die Öffnungsfläche zweier benachbarter Längsschlitze 66 jeweils dem Längsquerschnitt der Heiz- und Temperaturmeß-Elemente 22, 30 entspricht.

Auf diese Weise ist die Heizwicklung 22 unabhängig von der Winkelstellung des Fühlers innerhalb der Leitung 14 immer der gleichen Luftströmung ausgesetzt.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind Mittel 68

15 Ol 168

zur Einstellung der Empfindlichkeit des Fühlers in bezug auf die Kühlkapazität der Kühlmittel vorgesehen. Dadurch lassen sich verschiedene Fühler auf die gleiche Empfindlichkeit einstellen, um sie untereinander austauschbar zu machen. Die dargestellten Justiermittel 68 umfassen eine Hülse aus Isoliermaterial, die zwischen das Stützteil 46 und den Rohrabschnitt 58 des Schutzgehäuses 60 eingefügt ist. Die Hülse 68 reicht nach rechts über das hintere (rechte) Ende des Stützteils 46 bis über einen angrenzenden Dichtungsring 70 und eine Abstandshülse 72 hinaus. Zur Einstellung der Empfindlichkeit des Fühlers 16 ist die Hülse 68 axial verschieblich, um hierdurch den Abschnitt der Heizwicklung 22, der der Kühlkraft ausgesetzt werden soll, festzulegen. Die Hülse 68 ist in jeder Stellung mittels einer Feststellschraube 74 arretierbar, die durch eine Gewindebohrung 76 im Flansch 62 und einen Längsschlitz 78 im hinteren (rechten) Ende der Hülse 68 reicht und diese zwischen der Abstandshülse 72 und dem Schutzgehäuse 60 einklemmt. In der Abstandshülse 72 ist noch eine Umfangsrille 80 vorgesehen, in das die Feststellschraube 74 mit ihrer Kuppel eingreift, um eine Längsverschiebung gegenüber dem Schutzgehäuse 60 zu verhindern.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist auf einer Rohrverlängerung 84 des Schutzgehäuses 60 ein elektrischer Anschluß 82 angeordnet, zu welchem die Anschlußdrähte 56 führen.

Wie bereits erwähnt, ist die Regeleinrichtung gem. F i g. 1 insbesondere zur Kühlung eines mit elektrischen Geräten eng angefüllten Raums eines Düsenflugzeuges geeignet. Für die folgende Erläuterung sei angenommen, daß der Kühlbedarf eines Raums 10 dem gemäß Kurve 20 in Fig.2 entspricht. Es soll unter allen Betriebsbedingungen die kleinstmögliche Kühlluftmenge in den Raum 10 eingelassen werden, während die erforderliche Kühlwirkung gleichzeitig sichergestellt ist. Um den erforderlichen Kühlmittelmassefluß einzuregeln, ist der Fühler 16 so aufgebaut, daß er auf die Temperatur und den Massefluß integral anspricht. Dies erfolgt in der Weise, daß der Fühler 16 zu einem Analogon der Wärmecharakteristik der elektronischen Geräte im Raum 10, die eine Wärmequelle darstellen, gemacht wird. Um das analoge Verhalten zu erreichen, werden die je Flächeneinheit der Heizwicklung 22 erzeugte Energie und die Temperatur der Temperaturfühlerwicklung 30 so gewählt, daß die von ihr gemessene Temperatur und damit ihr Widerstand für jede auf der Kurve liegende Kombination von Massefluß und Temperatur konstant bleibt. Mit anderen Worten, es erniedrigt jeder Massefluß mit bestimmter Einlaßtemperatur gemäß der Kühlcharakteristik-Kurve des zu kühlenden Raums die Temperatur der Heizwicklung um den gleichen Betrag. Die spezielle Betriebstemperatur der Temperaturfühlerwicklung 30 und die spezielle je Flächeneinheit der Heizwicklung 22 zugeführte Energie hängen von der Kühlcharakteristik-Kurve des Raums ab. Ist die Kurve einmal ermittelt, bestimmt man die Energiedichte für die Heizwicklung 22 und die Betriebstemperatur für die Fühlerwicklung 30 auf experimentellem Wege. Die Temperatur der Fühlerwicklung läßt sich mathematisch mit Hilfe folgender Gleichung ermitteln:

¹ UJ w ²

f. =

Die oben angegebene Formel ist aufgrund empirischer Werte aufgestellt und in einem Lehrbuch über Wärmeübertragung unter dem Kapitel »Beheizte Zylinder im Querstrom« zusammen mit den empirischen Werten des Exponenten »m« enthalten, siehe: Eckert und Drake »Heat and Mass Transfer«, McGraw-Hill, Inc., New York, 1959, S. 241 und 242. Die Symbole der Gleichung haben folgende Bedeutung:

fj = Temperatur der Fühlerwicklung,

M = Massefluß der Kühlluft,

/ = Temperatur der Kühlluft,

μ = Viskosität der Kühlluft,

/77 = empirischer Exponent.

Die Indizes 1 und 2 beziehen sich auf jeweils 2 Punkte auf der Kühlcharakteristikkurve. Jedes Punktepaar kann gewählt werden; die Punkte haben jedoch am besten einen gewissen Abstand voneinander, wie es beispielsweise in F i g. 2 dargestellt ist.

Wenn zuviel Kühlmittel durch die Leitung strömt, wird die Temperatur der Heizwicklung 22 und damit auch die der Temperaturfühlerwicklung 30 unter ihre festgelegte Betriebstemperatur erniedrigt. Aufgrund der dadurch bedingten Widerstandserniedrigung der Fühlerwicklung 30 kommt die Wheatstonesche-Brücke 32 ins Ungleichgewicht. Das von der Fehlabstimmung herrührende Signal wird mittels des Verstärkers 34 verstärkt und in eine entsprechende Änderung des pneumatischen Drucks mittels des Umsetzers 36 umgewandelt. Aufgrund der pneumatischen Druckänderung erfolgt eine entsprechende Änderung der Stellung des pneumatischen Stellglieds 44 und damit der Klappe 42. Diese wird im Sinne einer Erniedrigung des Kühlmittelmasseflusses so weit verstellt, daß die Brücke 32 wieder in den abgeglichenen Zustand kommt. Obwohl nur eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, sind verschiedene Abwandlungen möglich.

Hierzu 2 BIaU Zcichnuiiüui

Claims

15 Ol 168 Patentansprüche:

1. Meßfühler für eine den Kühlmittelstrom zu einem Raum, insbesondere den Elektronikgeräteraum eines Strahlflugzeuges, regelnden Regeleinrichtung mit einem im Kühlmittelstrom angeordneten Heizelement und einem daneben angeordneten Temperaturmeßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Heiz- und Temperaturmeß-Element (22, 30) in einem Schutzgehäuse (60) angeordnet sind, das mindestens eine in der Größe einstellbare Eintrittsöffnung (64) aufweist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (22) und das Temperaturmeßelement (30) als übereinandergewikkelte Leiterwicklungen ausgebildet sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schutzgehäuse (60) mehrere parallel zueinander und schräg zur Achse der Heiz- und Temperaturmeß-Elemente (22, 30) gerichtete Längsschlitze (66) ausgebildet sind und die Öffnungsfläche zweier benachbarter Längsschlitze (66) jeweils dem Längsquerschnitt und die Quererstreckung jedes Längsschlitzes (66) jeweils der Quererstreckung der Heiz- und Temperaturmeß-Elemente (22,30) entspricht.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (64) mittels einer zwischen dem Heiz- und Temperaturmeß-EIement (22,30) und dem Schutzgehäuse (60) längsverschiebbar und arretierbar angeordneten Hülse (68) einstellbar ist.