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Regelanlage für einen Wärmesustauscher-Ventilator. Die-vorliegende
Erfindung betrifft Regelschaltungen für einen mit einem Wärmeaustauscher verbundenen
Ventilator und insbesondere eine Anlage zur Geschwindigkeitsregelung eines einzelnen
Ventilators, der mit einem Wärmeaustauscher verbunden ist, der aus zahlreichen Zeitungskreisen
zur Kühlung verschiedener Flüssigkeiten und Gase besteht.
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Die vorliegende Erfindung dient letztlich dazu die von einem Fahrzeugmotor
gelieferte Leistung zum Betrieb eines Hochleistungsventilators zu verringern, der
zum Kühlen vielteiliger luftgekühlter Wärmeaustaüscher dient. Bei Kraftfahrzeugen
mit Verbrennungsmaschinen besteht die übliche Kühlanlage für den Wärmeaustauscher
aus einem direkt vom
Motor angetriebenen Ventilator, so daß die
Ventilatorgeschwindigkeit proportional zur Geschwindigkeit des Motors ist,
wo-
durch oft Leistung nutzlos verbraucht und unnütz stark gekühlt wird. Zur
Lösung dieser Schwierigkeiten sind einige Kraftfahrzeughersteller in letzter Zeit
dazu übergegangen,gühlanlagen zu verwenden, bei denen die Ventilatorgeschwindigkeit
je nach Bedarf-eines einzigen Wärmeaustauschers variiert werden kann.
Um
trotzdem einen einwandfreien Betrieb einer vielteiligen Anlage zu gewährleisten,
bei der der Ventilator nur durch die Temperatur eines einzigen Wärmeaustauschers
geregelt wird,
müssen die übrigen Wärmeaustauscher überdimensioniert werden,
so da.ß sie auch unterhalb der Maximalgeschwindigkeit des Ventilators angemessen
kühlen.
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Eine optimale Lösung stellt nach der vorliegenden Erfindung eine Regelanlage
für ein vielteiliges Wärmeaustauschsystem dar, bei der jeweils derjenige Wärmeaustauscher,
der am stärksten gekühlt werden mu8, die Ventilatorgeschwindigkeit steuert.
Wenn einer der Wärmeaustauscher im kritischen Bereich oder nahe dem kritischen Bereich
betrieben wird, dann aber ein anderer Wärmesustauacher stärkere Kühlung erfordert,
schaltet die Ventilatorregelung automatisch auf den letzteren 'Kärmeaustauscher
um, so daß also immer gewährleistet ist, daB 'die
Ventilatorgeschwindigkeit
zur Kühlung sämtlicher WärmeauBtauaeher ausreicht. Beispielsweise soll der Ventilator
abgeschaltet werden, wenn die Temperaturen unter die folgenden Werte absinken:
für einströmende Luft unter 60 °C (140 0E), für
Wasser unter
71 00 (160 0F), für eine Ölsorte unter 82 °C (180 o
F) und für eine andere Ölsorte unter 'I04 0C (220 0F);
der
Ventilator soll jedoch mit voller Geschwindigkeit laufen, wenn die
verschiedenen Temperaturen über folgende Werte an-
steigen: für
einströmende laft über 71 0C (160 oF)., für Wasser
über 82 00 (180
@F), für eine Ölsorte über 104 00 (220 °F) und für
eine andere Ölsorte über 121 00 (250 0F). Innerhalb
dieser-Temperaturbereiche
sollte die zur Kühlung dienende
Yentilatorgeschwindigkeit 3.m idealen Fall
proportional zur
Temperatur jeweils der Kühlflüssigkeit
sein, die ihrem kriti-
schen Wert am nächsten liegt.
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Die IÖsung äes obigen Probleme ist mechanisch ganz
einfach,
wenn nur eine einige Temperatur die Ventilatorgeechwindigkait steuert.
Wenn jedoch mehrere Temperaturen über- . wacht werden sollen, wird die
Lösung des Problems durch kompli-
zierte Verbindungen, durch die Möglichkeit,
daß eine Temperatur
eine andere beeipflußt, und durch die jeweils erforderliche
neue
Eichung, wenn der Anlage zusätzliche Temperaturelemente
hinzugefügt
oder fortgelassen werden, außerordentlich kompli-
ziert und ist in
einer praktischen Anlage kaum zu lösen.
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Für die vorliegende Erfindung wird eine besondere Anlage
verwendet, bei der Halbleiterdioden nasjenige Temperatur-
element
in den Regelkreis füg die Ventilatorgeschwindigkeit einschalten, dessen
spezielle Kühlflüssigkeit der kritischen
Temperatur am-nächsten
liegt. Durch die Diode in jeder der
Temperatur-Fühlanordnungen können
beliebig viele Temperatur-
elemente der Anlage hinzugefügt
oder fortgenommen werden, ohne die Ventilatorgeschwindigkeit in ihrer Abhängigkeit
von der Temperaturbeziehung zu den übrigen Elementen der Anlage zu beeinflussen.
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Der Erfindung liegt folgende Aufgabenstellung zugrundes Es soll eine
Anlage zur Regelung der Ventilatorgeschwindigkeit eines vielteiligen Wärmeaustauscher-Systeme
geschaffen werden, bei der die Ventilatorgeschwindigkeit durch die Temperatur jeder
der zur Anlage gehörigen Kühlflüssigkeiten geregelt werden kann.
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Es soll weiterhin eine Ventilatorregelanlage für ein vielteiliges
Wärmeaustauschet-System geschaffen werden bei der die Ventilatorgeschwindigkeit
durch die Temperatur derjenigen Kühlflüssigkeit geregelt wird, die ihrer kritischen
Temperatur am nächsten liegt, wobei jede der zum System gehörigen Kühlflüssigkeiten
die Ventilatorgesehwindigkeit steuern kann, sobald sie näher an ihrem zugehörigen
kritischen Reit liegt als alle übrigen Kühlflüssigkeiten.
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Es soll weiterhin eine Ventilator-Regelanlage für ein vielteiliges
Wärmeaustauscher-System geschaffen werden, bei der die Ventilatorgeschwindigkeit
von Null bis zur maximalen Umdrehungsgeschwindigkeit durch Temperaturen geregelt
wird, eo daß die für den Betrieb des Ventilators vom Motor gelieferte Leistung minimal
klein gehalten wird; außerdem soll unabhängig von der Anzahl der verschiedenen,
zu überwachenden Temperaturen jeweils immer nur ein Temperaturelement
den
Regelkreis bedienen. Dabei soll der Übergang der."Regelung
zur höchsten Temperatur augenblicklich und automatisch erfolgen. Es soll eine beliebige
Anzahl von Temperatur-FÜhlelementen in der Anlage verwendet werden können, ohne
die Regelung der Ventilatorgeschwindigkeit für eines der Elemente zu beeinträchtigen;
dabei kann der Temperaturbereich für jedes Element verschieden sein, die Ventilatorgeschwindigkeit
ist aber in jedem Bereich proportional zur Temperatur; außerdem arbeitet die Regelanlage
mit einer kleinstmöglichen Anzahl beweglicher Teile.
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Es folgt nun eine Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
anhand der Zeichnungen.
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Figur 1 ist eine halbschematische Darstellung eines vielteiligen Wärmeaustauschers
mit einem Ventilator, der durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit Regelanlage
betrieben wird.
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Figur 2 ist ein Schaltdiagramm einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Figur 3 ist ein Schaltdiagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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" Die in Figur 1 dargestellte vielteilige Wä=®aua. tauscheranlage
11 enthält einen ersten Wärmeaustausaher 12 mit einem Einlaß 13 und einem Auslaß
14, einen zweiten Wärmeaustauscher 16 mit einem Einlaß 17 und einem Auslaß 18 und
einen dritten Wärmesustauscher 19 mit einem Einlaß"21 und einem Auslaß 22. Die Temperatur
der aus dem_Wäxmeaustauscher 12
ausströmenden Flüssigkeit wird von
einem Detektor 23 überwacht, während ein Detektor 24 und ein Detektor
26 die Temperaturen in den AuslaBleitungen 18 und 22 überwachen. Ein elektrischer
Regelkreis 27 ist über geeignete elektrische heiter mit den
Betektoren 23,
24 und 26 verbunden und verwendet die von den Detektoren gelieferte Imformation
zum Betrieb eines hydraulischen Steuerventils 28, das sich in einer Flüssigkeitsleitung
29 befindet.
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Die Rohrleitung 29 steht mit einer Flüssigkeitskupplung 31 in Verbindung,
die mechanisch zwischen einem zur Kühlung dienenden Ventilator 32 und der Antriebsvorrichtung
33 angebracht ist. Die Antriebsvorrichtung 33 wird durch eine Welle 34 vom Kraftfahrzeugmotor
(nicht dargestellt) aus betrieben. Durch Steuerung der Kupplung 31 kann der Ventilator
32 mit jeder Geschwindigkeit innerhalb des Bereichs, für den er ausgelegt ist, betrieben
werden. Durch Betätigen des Steuerventils 28 kann also der elektrische Regelkreis
27 die Geschwindigkeit des Ventilators 32 variieren.-Man betrachte nun Figur 2.
als Detektoren 23, 24 und 26 dienen vorzugsweise Thermistoren, deren Widerstand
sich umgekehrt mit der Temperatur ändert. Die Thermistoren
23, 24
und 26 sind mit den zugehörigen Festwiderständen 36, 37
unA 38
in Serie geschaltet. Die drei Thermistor/WiderstandB-Zweige sind zur
Fahrzeugbatterie 39 parallel geschaltet. Ein Festwiderstand 41, ein variabler Widerstand
42 mit einem Schleifer 43 und ein Festwiderstand 44 sind in Serie geschaltet
und
liegen ebenfalls parallel zur Batterie 39.
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Die Anode einer Diode 46 liegt am Verzweigungspunkt
zwischen dem Thermistor Wund dem Widerstand 36; die Anode
einer Diode 47 liegt am Verzweigungspunkt zwischen dem Ther-_mistor
24 und dea Widerstand 37, und die Anorde einer dritten
Diode
48 liegt an Verzweigungspunkt zwischen dem Thermistor 26 und
dem Widerstand 38. Die Kathoden der Dioden 46, 47 und 48 liegen
an einer gemeinsamen Stromschiene 51 an, deren eines Ende über
einen Festwiderstand 52 zur negativen Klemme der
Batterie 39
führt, während das andere Ende mit einem Leiter
53 verbunden
ist, der. zu einem Servo-Verstärker 54 führt., Der
Schleifer
43 des variablen Widerstands 42 ist über einen Leiter
56 und einen zweiten-Leiter
57 mit dem Servo-Veretärker 54
verbunden. Der Servo
Verstärker 54 betriebt einen Drehmoment-
motor 58, und zwar entsprechend
einer Differenzspannung zwi-
schen den Leiten 53 und 57, wie noch
näher erläutert wird.
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Der Motor 58 betriebt das Steuerventil 28, das-nicht nur die
Durchflußmenge
reguliert, sondern auch den Schleifer 43 des
variablen Widerstands
42 über eine mechanische Verbindung
.
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einstellt, wie durch die gestrichelte Linie 59 dargestellt ist. Die
Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung läBt sich am besten anhand eines
Zahlenbeispiels erläutern. Die
Batteriespannung betrage 24 Volt, die
Widerstände 36, 37 und 38 haben jeweils 500 Ohm, und der Widerstand der
Thermistoren 23, 24 und 26=sei je 500 Ohm für die untere Grenze ihres
jewei-
ligen Betriebsbereiches. Auf der Grundlage dieser Zahlenwerte
und
unter der Voraussetzung, daß die drei Thermistoren an der
unteren Grenze ihres
jeweiligen Betriebsbereiches liegen, beträgt die Spannung an den Verzweigungspunkten
zwischen
Thermistor und Widerstand und somit an den Anoden der Dioden 46,
47 und 48 12 Volt. Bei einem maximalen Spannungeabfall an den Dioden von 0,6 Volt
beträgt die Spannung am Leiter 51 11,4 Volt (Gleichspannung)-. Die Größe
des Widerstands 44 wird so ausgewählt, daß am Leiter 56 11,4 Volt herrschen, wenn
der Schieber 43 am unteren Ende steht (am Verbindungspunkt zwischen Widerstand 42
und Widerstand 44). Wenn also alle ThermiBtoren und der Schleifer 43 am unteren
Ende ihrer jeweiligen
Bereiche stehen, herrscht keine Spannungsdifferenz zwischen
den Leitern 53 und 57, und das Steuerventil steht dann so, daß sich der Ventilator
nicht dreht (Null U/min). Der obige Zustand ist dadurch gewährleistet, daß die mechanische
Verbindung zwi-
schen dem Steuerventil 28 und dem Schleifer 43 dafür sorgt,
daß der Schleifer dann an der unteren Grenze seines Bereichs sitzt, wenn das Steuerventil
28 geschlossen ist.
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Wenn die Temperatur am Thermistor 23 um 10o steigen sollte,
fällt sein Widerstand von 500 auf 400 Ohm, und die Spannung am Verbindungspunkt
zwischen Thermistor 23 und Widerstand 56 steigt auf 13,3 Volt an. Hierdurch hat
die Diode .46 eine um 1,3 Volt höhere Spannung als sämtliche übrigen
.Thermistor/WiderBtands-Verzweigungen, weshalb diese Diode leitet und dadurch die
Spannung am Leiter 51 auf 12,7 Volt ansteigt (13,) Volt minus 0,6 Volt Spannungsabfall
an aer Diode).
Dieser Spannungsanstieg am Leiter 51 bewirkt eine
negative Vorspannung für die Dioden 47 und 48, wodurch die Verbindung von den Thermistoren
24 und 26 zum Leiter 51 unterbrochen ist. Der Thermistor 23 ist also der einzige
mit dem Regelkreis verbundene Thermistor, und er allein regelt die Arbeitsweise
des Steuerventils und hierdurch den Ventilator 32.
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Der Spannungsanstieg am Leiter 51 bewirkt, daß die Spannung am Leiter
53 ebenfalls ansteigt, so daß am Eingang des Servo-Verstärkers 54 eine Differenzspannung
anliegt, durch die der Motor 58 und hierdurch das Steuerventil 28 betrieben wird.
Da die Differenzspannung am Eingang des Servo-Verstärkers 5 4 auf einem Anstieg
der Temperatur beruht, ist die Spannung am Leiter 53 höher als am Leiter 57, so
daß der Motor in derjenigen Richtung dreht, die die Durchflußmenge in der Rohrleitung
29 erhöht, wodurch die Wirkungüer Kupplung und die
Geschwindigkeit des Ventilators
vergrößert werden. Wenn das Steuerventil 28 so betrieben wird, daß es eine größere
Flüssigkeitsmenge hindurchläßt, wird der Schleifer 43 nach oben geschoben und erhöht
die Spannung am Leiter 56. Wenn die Spannung am Leiter 56 gleich groß ist wie die
Spannung am Leiter 51,
ist die als Eingang zum Servo-Verstärker 54 dienende.
Spannungsdifferenz Null, und die Anlage befindet sich im Ruhezustand. Wenn nun die
vom Thermistor 24 überwachte Kühlflüssigkeit um 20° ansteigt, sinkt der Widerstand
am Thermistor -24
auf 320 Ohm, und die Spannung am Verzweigungspunkt zwischen
Thermistor 24 und Widerstand 37 steigt auf 14,4 Volt an.
Dadurch
werden die Dioden 46 und 48 negativ vorgespannt, und die Ventilator-Regelung
wird ausschließlich dem Thermistor 24
übertragen, da er
ßär den zugehörigen Temperaturbereich die.
relativ höchste Temperatur
aufweist. Außerdem ist die Brücken-
schaltung nicht im Gleichgewicht und gleicht
sich selbst aus,
indem der Flüssigkeitsstrom in der Rohrleitung
29 erhöht wird,
und somit die Drehgeschwindigkeit der Ventilatorschaufeln
32
ansteigt, wobei gleichzeitig der Schleifer 43 so eingestellt
wird,
daß die Spannungsdifferenz am Eingang des Servo-Verstärkers
54 Null wird.
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Wenn die vom Thermistor 26 überwachte Kühlflüssigkeit
plötzlich um 50o auf den höchsten Wert des Temperaturbereiche
ansteigt,
sinkt der Widerstand des Thermistors 26 auf 200 Ohm
ab und bewirkt,
daß die Spannung am Verzweigungspunkt zwischen
Thermibtor
26 und Widerstand 38 auf 17,6 Volt ansteigt. Da der
Thermistor
26 nun der höchste in seinem Arbeitsbereich ist,
werden die übrigen
Thermistoren durch die negative Vorspannung an ihren Dioden vom Regelkreis
getrennt, und der Ventilator
wird ausschließlich durch den Thermistor
26 geregelt. Wenn
der Widerstand 41 so ausgewählt wird, daß er bei
der höchsten
Stellung des Behleifers 43 17 Volt am Leiter 56 erzeugt,
dann
bewirkt eine Spannung von 17,6 Volt am Verzweigungspunkt z@ischen
dem Thermietor 26 und dem Widerstand 38, daß der Venti-
lator
mit maximaler Geschwindigkeit dreht, da das Steuerventil 28 so mit
dem Schleifer 43 verbunden ist, daß es maximal ge-
öffnet ist,
wenn der Schleifer seine oberste Stellung erreicht,.
wodurch
sich die Kupplung 31-voll auswirkt und eine maximale Yentilatorgeschwindigkeit
erzeugt.
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Wenn die Kühlfliiesigkeit mit der für ihren Bereich
höchsten
Temperatur abkUhlt, also ihre Temperatur sinkt, setzt
sich
die resultierende Spannungsdifferenz am Eingang des Bervoverstärkera
54 aus einer btiäeren Spannung am Leiter 57 und
einer niedrigeren
am Leiter 53 zuhammen, wodurch der Motor 58
betrieben wird, so daß
er das Steuerventil 28 so einstellt,
daß die Durchflußmenge
in der Rohrleitung 29 verringert wird,
wodurch der Schleifer 43
nach unten geschoben wird und die
Spannung am Leiter 57,
verringert, bis sie gleich groß ist wie
die Spannung am Leiter 53.
Eine Verringerung der Temperatur . bewirkt also eine Verringerung
der Ventilatorgeschwindigkeit,. so daß weniger Leistung verbraucht
wird.
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wenn die Temperatur einer weiteren, mit dem Wärme-
austauscher
11 verbundenen Kühlflüssigkeit überwacht und zur
Regelung des Ventilators
32 verwendet werden soll, braucht
nur ein Thermistor 61, ein
Widerstand 62 und eine Diode 63
hinzugefügt zu werden. Der
Regelkreis wird dadurch nur insofern beeinßlußt, daß nun auch der
Thermistor 61 die Arbeitsweise
den Ventilators steuern kann,
falls seine zugehörige Kühl-
flüssigkeit ihrem kritischen-Wert näher
liegt als die übrigen
überwachten Kühlflüssigkeiten. Auf die gleiche Weise
können
gewisse Küblflüssigkeiten aus dem Ventilator-Regelkreis
ausge-
schlossen werden, indem die Verbindung der zugehörigen
Thermistoren zur Regelschaltung unterbrochen wird. Hierdurch bleiben
die
übrigen Thermistoren unbeeinflußt und können weiter wie bisher arbeiten.
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Figur 3 zeigt eine abgewandelte Schaltung, die ge-
wisse
Vorteile aufweist, da sie ohne Drehmoment-Motor 58 und ohne die in Serie geschalteten
Widerstände 41, 42 und 44 aus-kommt. Der Leiter 26' betreibt ein elektro-hydraulischee
Ventil
66 über einen Verstärke; 54', dessen Spule 67 erregt wird.
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Die Spule 67 ist über eine Zenerdiode 68 mit Erde verbunden,
wobei .die Zenerdiode dazu dient, einen Spannungsabfall zu erzeugen, der
gleich hoch ist wie die Spannung am Leiter 26', wenn sämtliche Thermistoren an der
unteren Grenze ihres Be-
reiches liegen (bei den zuvor angegebenen Zahlenwerten
wärendas 12 Volt). Durch geeignete Auswahl einer Spule 67, deren Bereich 5 Volt
beträgt (was dem Spannungsunterschied eines gegebenen Thermistors zwischen oberem
und unterem Bereich entspricht), lassen sich mit dieser Ausführungsform ohne Motor
58 und ohne Brückenschaltung die gleichen Ergebnisse erzielen, wie mit der
Ausführungsform aus Figur 2. Im übrigen ist die Arbeitsweise der Schaltung
aus Figur 3 die gleiche wie bei der Schaltung aus Figur 2.