DE19520631C2 - Thermostat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermostaten nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Bei Thermostaten werden, beispielsweise bei hochstabilen Quarzoszillatoren, große Anforderungen an die Temperaturkon­ stanz gestellt. Zeitliche und räumliche Temperaturgradienten führen zu Verspannungen im Quarz und damit zu einer merk­ lichen Verschlechterung der Frequenzkonstanz. Bereits wenige 10000stel Grad können sich auswirken. Besonders stabile Oszillatoren werden mit "doppelten" Thermostaten gebaut. Der Aufwand dafür ist entsprechend groß. Um große Zeitverzögerung der Temperaturregelung durch eine langsame Wärmeleitung auszugleichen, sind entsprechend große Zeitkonstanten notwendig. Da die Wärmeisolation infolge der notwendigen Leitung der Verlustleistung der Oszillatorschaltung nur begrenzt sein kann, werden Thermostaten mit großer Wärmekapazität verwendet. Diese bedingt wiederum eine lange Aufheizzeit und eine entsprechende Heizleistung.

Aus dem Patent GB 1,051,156 ist eine Anordnung zum Konstanthalten der Temperatur in einer Kammer beschrieben.

In der Kammer ist ein weiteres Gehäuse zur Aufnahme einer wissenschaftlichen Apparatur vorgesehen. Die Temperaturregelung erfolgt durch eine Druckregelung und das Ein-/Ausschalten des Heizstromes. Diese Apparatur ist nicht nur sehr aufwendig; die räumlichen Temperaturgradienten an den Bauelementen der Apparatur werden hierdurch nicht verkleinert. Durch die Zweipunktregelung dürften ebenfalls keine höheren Anforderungen an die Temperaturkonstanz gestellt werden können.

Aus der Patentschrift CH 681 832 A5 ist es bekannt Heizelemente außerhalb des Gehäuses anzuordnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen Thermostaten mit gleichmäßiger Temperaturverteilung und geringer Heizleistung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Thermostaten gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Thermostaten sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Verwendung eines vor dem teilweisen Füllen mit einer Flüssigkeit evakuierten Gefäßes hat den Vorteil, daß sich ein Temperaturgleichgewicht sehr rasch durch Verdampfen und Kon­ densieren einstellt. Da durch den Dampf eine gute Wärmeüber­ tragung erfolgt können hohe Energiemengen transportiert wer­ den.

Zur Grunderwärmung können Verlustleistung aufweisende Schal­ tungsteile in der Flüssigkeit - oder so, daß sie nur diese erhitzen - angeordnet werden, während verlustleistungsfreie Teile, beispielsweise der Quarz eines Oszillators, im gasge­ füllten Raum angeordnet werden.

Durch Kapillareffekte kann die Flüssigkeit absorbiert werden und auch ein Heizelement und Energie umsetzende Bauelemente an beliebiger Stelle angeordnet werden.

Vorteilhaft ist eine Temperaturmessung oder Druckmessung im gasgefüllten Raum, da hier praktisch eine homogene Wärmever­ teilung herrscht.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Thermo­ staten gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Variante mit einer anderen Anordnung des Heiz­ elementes und

Fig. 3 eine zweite Variante eines Thermo­ staten gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Thermostat besteht aus einem gas­ dichten Gehäuse G, das teilweise mit einer Flüssigkeit FL ge­ füllt ist. Aufgrund des flüssigkeitseigenen Dampfdruckes ist der evakuierte Raum mit Dampf DA gefüllt. Ein Meßsensor ME mißt in diesem "Dampfbereich" DB die Dampftemperatur oder den Dampfdruck und steuert über eine Regeleinrichtung RE und ein in der Flüssigkeit angeordnetes Heizelement HE die Dampf­ temperatur bzw. den Dampfdruck.

Da vor allem bei einem als Meßeinrichtung verwendeten Druck­ sensor Druck- und damit gemäß der Dampfdruckkurve zugeordnete Temperaturänderungen ohne Verzögerungen festzustellen sind, läßt sich mit dieser Meßeinrichtung eine optimale Temperatur­ konstanz herstellen.

Im Dampfbereich DB ist ein von dem Dampf DA umgebener Körper A angeordnet, dessen Temperatur konstant gehalten werden soll. Optimal ist es, wenn dieser ein verlustleistungsfreier Körper ist, beispielsweise der Quarz eines Oszillators, und der Oszillator als verlustleistungsbehafteter Körper B im Bereich der Flüssigkeit angeordnet ist, und diese mit einer Grundheizleistung versorgt. Die erforderlichen Anschlüsse sind durch die Gehäusewand auf Klemmen KL herausgeführt.

Bei einem Reinstoff-Zweiphasensystem flüssig-gasförmig ist der Dampfdruck nur von der Temperatur abhängig. Die Einstel­ lung eines Temperaturgleichgewichtes folgt sehr schnell durch Verdampfen und Kondensieren. Wenn kein Temperatur­ gleichgewicht vorhanden ist - an der Oberfläche der Flüssigkeit also Temperaturunterschiede herrschen -, dann wird die Flüssigkeit, z. B. Wasser, an den wärmeren Stellen verdunsten und an den kälteren Stellen kondensieren, bis die Temperatur überall konstant ist.

Durch die hohe Verdampfungs- und Kondensationswärme werden mit kleinen Stoffmengen bereits hohe Energiemengen transportiert. Wenn in dem Dampfbereich ein kühlerer Körper vorhanden ist, so kondensiert an diesem die Flüssigkeit solange, bis der Körper die gleiche Temperatur wie das umgebende Gas hat. Dabei wird der Körper von allen Seiten gleichmäßig erwärmt. Die kondensierte Flüssigkeit tropft ab und steht wieder für den Kreislauf zur Verfügung. Im Gleichgewichtszustand sind keine Temperaturunterschiede mehr vorhanden.

Körper mit Eigenerwärmung durch Verlustleistung werden an ihrer Oberfläche ebenfalls auf einer konstanten Temperatur gehalten, wenn Sie mit Flüssigkeit benetzt sind. Es ist daher vorteilhaft diese Körper B innerhalb der Flüssigkeit anzuord­ nen, wenn dies sinnvoll ist.

Prinzipiell kann auch die Regeleinrichtung im Thermostaten angeordnet werden.

Bei Mehrstoff-Systemen (und bei vorher nicht oder nur teil­ weise evakuierten Räumen) addieren sich die Partialgasdrucke. Es ist dann besonders darauf zu achten, daß durch die gerin­ geren Anteile der einzelnen Stoffe am Gasgemisch noch der gewünschte Effekt auftritt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Thermo­ staten ist das Heizelement HE nicht in dessen Innenraum angeord­ net. Die Erwärmung der Flüssigkeit FL erfolgt über einen durch die Gehäusewand ragenden Wärmeleiter WL.

Die in Fig. 3 gezeigte Variante des Thermostaten verwendet zur Aufnahme der Flüssigkeit ein Material mit Kapillareffekt, beispielsweise Löschpapier PA. Durch eine abgestimmte Bemes­ sung der Flüssigkeitsmenge kann der Thermostat praktisch flüssigkeitsfrei realisiert werden. Das Heizelement HE und gegebenenfalls der verlustleistungsbehaftete Schaltungsteil, Körper B, sind durch das Kapillarmaterial PA vom eigentlichen Dampfbereich DB, in dem sich der Körper A befindet, getrennt. Durch Faltung des Kapillarmaterials PA läßt sich dessen Oberflä­ che vergrößern.

Claims (9)

1. Thermostat mit einem teilweise mit einer Flüssigkeit (FL) gefüllten geschlossenen gasdichten Gehäuse (G), in dem ein Meßsensor (ME) einer Regeleinrichtung (RE) angeordnet ist, die ein Heizelement (HE) zum Erwärmen der Flüssigkeit (FL) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges geschlossenes gasdichtes Gehäuse (G) vorgesehen ist und Körper (A), deren Temperatur konstant zu halten ist, direkt im Dampfbereich (DB) angeordnet sind.

2. Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (G) evakuiert ist.

3. Thermostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (HE) in der Flüssigkeit (FL) angeordnet ist.

4. Thermostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (HE) außerhalb der Flüssigkeit (FL) so angeordnet ist, daß es diese erwärmt ohne die Temperatur des Dampfbereiches (DB) direkt zu beeinflussen.

5. Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein verlustwärmefreier Körper (A) innerhalb des Dampfbe­ reiches (DB) und ein verlustwärmebehafteter Körper (B) inner­ halb der Flüssigkeit (FL) angeordnet ist.

6. Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Flüssigkeit (FL) getränktes Kapillarmate­ rial (PA) im Gehäuse (G) vorgesehen ist.

7. Thermostat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfbereich (DB), in dem der Körper (A) angeordnet ist, durch das Kapillarmaterial (PA) von dem Heizelement (HE) oder/und dem verlustwärmebehafteten Körper (B) getrennt ist.

8. Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsensor (ME) ein Drucksensor vorgesehen ist.

9. Thermostat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit (FL) Wasser vorgesehen ist.