DE1501168C3 - Meßfühler für eine den Kühlmittelstrom zu einem Raum, insbesondere den Elektronikgeräteraum eines Strahlflugzeuges, regelnden Regeleinrichtung - Google Patents
Meßfühler für eine den Kühlmittelstrom zu einem Raum, insbesondere den Elektronikgeräteraum eines Strahlflugzeuges, regelnden RegeleinrichtungInfo
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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 (>o
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 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 Fig. 1 verwendet ist,
Fig.4 einen Querschnitt durch den Fühler nach der
Linie 4-4 in F i g. 3,
Fig.5 ein die Wicklungen des Fühlers umgebendes
Schutzgehäuse und
Fig.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 ζ) gleich dem
durchströmenden Massefluß M multipliziert mit der spezifischen Wärme des Kühlmittels cp und der
Temperaturänderung ta—tL. des Kühlmittels bei der
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 ta des
Kühlmittels 710C, so ergibt sich, eingesetzt in die obige
Gleichung der Massefluß M zu:
M =
480
0,24(71 ""-ij
0,24(71 ""-ij
Die Abhängigkeit des erforderlichen Kiihlmittel-Masseflusses
Mdurch den Raum von seiner Einlaßtemperatur ic ist in F i g. 2 dargestellt, siehe Kurve 20. Man
entnimmt diesem Diagramm, daß mit abnehmender Einlaßtemperatur tc der durch den Raum zu leitende
Kühlmittelmassefluß M ebenfalls abnimmt. Liegt der Massefluß bei einer gegebenen Einlaßtemperatur tv
oberhalb der Kurve 20, dann wird mit Luftüberschuß gearbeitet. Andererseits ist der erforderliche Massefluß
zu niedrig, wenn bei einer gegebenen Einlaßtemperatur icder 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 ^o
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. }o
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 Überhitzungsentwicklung
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
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 Dorns 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 Umfangsrillen 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-Elementc 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 Kiihlkapazität 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:
t -
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:
U = Temperatur der Fühlerwicklung,
M = Massefluß der Kühlluft,
/ = Temperatur der Kühlluft,
μ = Viskosität der Kühlluft,
m = 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 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
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- ι ο 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 \o Heiz- und Temperaturmeß-Element (22,30) und dem
Schutzgehäuse (60) längsverschiebbar und arretierbar angeordneten Hülse (68) einstellbar ist.
Applications Claiming Priority (2)
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US51691665 | 1965-12-28 | ||
DEV0032623 | 1966-12-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1501168C3 true DE1501168C3 (de) | 1977-11-17 |
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