DE2026561A1

DE2026561A1 - Wärmeregeleinrichtung

Info

Publication number: DE2026561A1
Application number: DE19702026561
Authority: DE
Inventors: Balthasar Hubert Edina Minn. Pinckaers (V.St.A.)
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1969-06-18
Filing date: 1970-05-30
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1279183A

Description

Dipl. Ing. R. M.ertena

Patentanwalt
Frankfurt/Main 1, Ammelburgstr.3|

ß Frankfurt am Main

1970 - H 31 P 204 -

Honeywell Inc.

2701, jj'ourth Avenue South, Minneapolis, Luinn/USA

η Wärmeregeleinrichtung"

Die Erfindung betrifft eine mit einem Thermostaten und einer Steuereinheit versehene Wärmeregeleinrichtung, deren Thermostat ein Fühlglied sowie eine Vergleichereinheit aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine mit einer thermischen Rückführung versehene und stufenweise in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Vergleichers die Heizleistung eines nachgeschalteten Heizers erhöhende Wärmeregeleinrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Thermostat mit einem thermischen RUckführungselement versehen ist, welches in seiner Wärmeabstrahlung linear von dem es durchfließenden Strom abhängig 1st, daß die an den Thermostaten angeschlossene Steuereinheit mit einer Schaltvorrichtung versehen ist, die in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignales der Vergleichereinheit die von einem der WärmeregeIeinrichtung nachgeschalteten Heizer abgegebene Wärme erhöht und dabei hierzu linear den durch das thermische Rückführungselement fließenden Strom erhöht. Wird die Heizleistung des Heizers stufenweise erhöht, etwa durch Parallelschalten der Heizkörper an eine konstante Spannungsquelle, so wächst die Heizleistung linear und nicht quadratisch

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mit der Größe des Ausgangssignales der Wärmeregeleinrichtung. Als Folge davon ist es wichtig, daß die Wärmeleistung der thermischen Rückführung ebenfalls linear mit dem Ausgangssignal der Wärmeregeleinrichtung wächst, da sonst die erwünschte lineare Abhängigkeit zwischen der Wärmeleistung des Heizers und der der thermischen Rückführung nicht mehr gegeben ist.

Für die Wärmeregeleinrichtung ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau, wenn das Fühlglied ein temperaturabhängiger Widerstand und das thermische Rückführungselement ein Halbleiterbauelement ist. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn das Halbleiterbauelement ein Transistor oder aber eine Zenerdiode ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeregeleinrichtung derart ausgestaltet, daß die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignales der Vergleichereinheit über einzelne parallel liegende Schalter ein oder mehrere Heizrelais einschaltet, wobei durch jedes Heizrelais ein Heizkörper gleicher Wärmeleistung eingeschaltet wird, daß die Schaltvorrichtung zusammen mit jedem Schalter jeweils einen diesem zugeordneten Kontakt schließt, der jeweils einen Strompfad mit bestimmtem Widerstandswert zwischen dem thermischen Rückführungselement und Masse schließt, daß die den einzelnen Kontakten zugeordneten Strompfade parallel' geschaltet sind, so daß der elektrische Widerstand zwischen dem thermischen Rückführungselernent und Masse der abgegebenen Wärmeleistung umgekehrt proportional ist, und daß das thermische Rückführungselement als Konstantspannungsquelle geschaltet ist, wodurch der über dieses Element zur Masse fließende Strom der von dem Element abgegebenen Wärmeleistung proportional ist.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergebar, sich aus dem Ausführungs beispiel das nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert wird-

Darln zeigt: -

Figur 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wärmeregeleinrichtung und

Figur 2 eine Abwandlung der Wärmeregeleinrichtung nach Figur bei der ein Transistor durch eine Zenerdiode ersetzt wurde.

In Figur 1 ist ein Thermostat 10 zu sehen, der mit den Anschluß klemmen 11 versehen ist, welche über die Leitungen 12 mit einer Steuereinheit 1'4 verbunden sind. Die Steuereinheit 14 wird über die Leitungen 15 von einer Gleichspannungsquelle 15 mit Energie versorgt, wobei die Gleichspannungsquelle an das Leitungsnetz angeschlossen ist. Die Steuereinheit 14 ist über die Ausgangsleitungen 16 mit einer Reihe von Relais 17 verbunden, die in ihrem betätigten Zustand jeweils einen zu einem Heizer gehörenden Heizkörper einschalten. Die Wärmeregeleinrichtung steuert die Umgebungstemperatur, indem sie in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Thermostaten 10 nacheinander die einzelnen Relais 17 einschaltet, wodurch stufenweise die vom Heizer abgegebene elektrische Wärmeleistung erhöht wird.

Der Thermostat 10 ist mit einem als veränderbare Impedanz ausgestalteten temperaturempfindlichen FUhlglied 20 versehen, daß beispielsweise durch einen Widerstand oder einen Heißleiter gebildet 1st. Das Fühlglied 20 ändert abhängig von der Umgebungstemperatur des Thermostaten 10 seinen Widerstand. Als Fühlglied läßt sich ebenfalls ein schnell schaltender Bimetallkontakt verwenden. Das Fühlglied 20 ist an eine Vergleichereinheit 21 angeschlossen, die mit einer Brückenschaltung und einem Verstärker versehen ist. Die Vergleichereinheit 21 wird über die Leitungen 22 und 23 sowie die Leitungen 12 und 15 von der Gleichspannungsquelle IJ.mit Energie versorgt. Die Vergleichereinheit 21 kann einen Aufbau haben, der beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 1903 706 beschrieben ist.

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BAD ORIGINAL

Zwischen die Leitungen 22 und 23 ist ein aus zwei Widerständen ' 24 und 25 gebildeter Spannungsteiler geschaltet, an dessen Teilerpunkt die Basis 27 eines Transistors 26 angeschlossen ist. Der Kollektor 28 dieses Transistors* ist zu der Leitung 22 geführt, während der Emitter dieses Transistors über eine Klemme 11 und eine Leitung 12 mit der Steuereinheit 14 ver-bunden ist.

Der Transistor 26 ist wie durch eine Strichlinie Jl angedeutet, wärmemäßig mit dem temperaturempfindlichen Fühlglied 20 verbunden, so daß zwischen diesen beiden Bauelementen ein Wärmeaustausch besteht. Fließt ein Strom durch den Transistor 26, so wird die hierdurch im Transistor erzeugte Wärme auf das Fühlglied 20 übertragen. Anstatt des allgemein üblichen ohmschen Widerstandes wirkt bei der erfindungsgemäßen Wärmeregeleinrichtung also ein Transistor als Rückführungselement. Es können aber auch, wie weiter unten noch erläutert wird, andere Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Die Steuereinheit 14 besitzt einen mehrstufigen Schrittschalter 55» der über eine Leitung 15 von der Gleichspannungsquelle 15 mit Energie versorgt wird. Die Schaltstellung der Schaltvorrichtung 35 wird über eine der Leitungen 12 und Leitung J>6 vom Ausgangssignal der Vergleichereinheit 21 des Thermostaten 10 gesteuert. Die Schaltvorrichtung 35 kann eine elektronische Schaltung oder auch ein von einem Motor angetriebener Nockenschalter sein. Die einzige Forderung, die an die Schaltvorrichtung 35 gestellt werden muß, ist die, daß sie in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Vergleichereinheit 21 nacheinander eine Reihe von Schaltern betätigt, die zur Zufuhr einer stufenweise erhöhten Wärmeleistung in den von der Wärmeregeleinrichtung zu überwachenden Raum geeignet sind. Als Schalter dienen in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eine Reihe von Thyristoren 40-43, deren Steuerelektroden 44-47 an die Schaltvorrichtung 35 angeschlossen sind und von dieser in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleichereinheit 21 angesteuert

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werden. Zugleich mit dem nacheinander erfolgenden Einschalten der einzelnen Schalter 40-^3 werden von der Schaltvorrichtung 35 auch nacheinander eine Reihe von Kontakten 50-53 mechanisch betätigt. Dabei wird beispielsweise zu dem Zeitpunkt, da die Schaltvorrichtung 35 ein zum Durchschalten des Schalters 40 geeignetes Triggersignal auf die Steuerelektrode 44 gibt, gleichzeitig auch von der Schaltvorrichtung 35 der Kontakt geschlossen, der mit elektronischen oder mechanischen Mitteln aufgebaut sein kann. Durch die Betätigung des als Thyristor ausgestalteten Schalters 40 wird eines der Relais 17 erregt, wobei das Relais 17 wiederum einen diesem zugeordneten Heiz- ä körper einschaltet, der zusammen mit den anderen Heizkörpern den Heizer bildet. Ergibt sich aus der Größe des Ausgangssignales der Vergleichereinheit 21, daß eine noch größere Wärmeleistung benötigt wird, so werden von der Schaltvorrichtung 35 noch weitere Thyristoren durchgeschaltet, woraufhin noch , weitere den durchgeschalteten Thyristoren zugeordnete Heizkörper mittels der entsprechenden Relais 17 an eine Konstantr Spannungsquelle angeschlossen werden. Gleichzeitig mit den weiteren Thyristoren werden auch wiederum die diesen Thyristoren zugeordneten Kontakte 51-53 geschlossen.

Mit den Kontakten 50-53 ist jeweils ein ohmscher Widerstand 54-59 verbunden, wobei die den Kontakten 50-53 abgewandten ' Enden der ohmschen Widerstände 5^-59 zu einer Leitung 56 geführt sind. Die Leitung 56 ist über einen Verbindungspunkt 55 zu dem Emitter 6l eines Transistors 60 geführt, dessen Kollektor 62 über eine der Leitungen 12 und einen Verbindungspunkt 11 an den Emitter 30 des Transistors 26 angeschlossen ist. Die Basis 63 des Transistors 60 liegt über eine Leitung 64 und eine der Leitungen 15 an der Gleichspannungsquelle 13,

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der erfindungögemäßen Wärmeregeleinrichtung beschrieben. Nimmt man zunächst an, daß Wärmeistwert und Wärmesollwert übereinstimmen, so sind all Kontakte

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50-53 geöffnet, während sich die als Thyristoren ausgestalteten Schalter 40-43 im Sperrzustand befinden. Unter diesen Voraussetzungen ist keines der Relais 17 erregt und damit auch keiner der Heizkörper angeschlossen.. Fällt nun die Umgebungstemperatur des Thermostaten 10 um einen genügend großen Betrag unter den Sollwert, so wird die Brückenschaltung in der Vergleichereinheit 21 aus ihrem Gleichgewicht verschoben, wodurch über den Verstärker dieser Einheit und die Leitung 36 an die Schaltvorrichtung ein Signal abgeben wird. Die Größe dieses Signales soll nun so sein, daß die Schaltvorrichtung 35 die Steuerelektrode 44 mit einer Spannung versorgt, die ausreicht, den als Thyristor ausgestalteten Schalter 40 durchzuschalten. Nach dem Durchschalten des Schalters 40 wird das diesem Schalter zugeordnete Relais 17 und der diesem Relais entsprechende Heizkörper eingeschaltet. Gleichzeitig mit dem Schalter 40 wird von der Schaltvorrichtung 35 der Schalter 50 geschlossen, wodurch eine Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle 13 und dem Emitter des Transistors 60 geschaffen wird, wodurch der Transistor 60 leitet. Der durch die plötzlich angewachsene Leitfähigkeit des Transistors 60, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke fließende Strom fließt auch über den Transistor 26, wobei der Transistor 26 mit Hilfe des aus den Widerständen 24 und 25 bestehenden Spannungsteilers derart vorgespannt ist, daß an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 26 unabhängig von dem über diese Strecke fließenden Strom im wesentlichen immer die gleiche Spannung abfällt. Aus diesem Grunde ist die von dem Transistor 26 abgegebene Wärmeleistung im wesentlichen durch den über den Transistor 26 fließenden Strom bestimmt, da ja die an diesem Transistor abfallende Spannung konstant ist. Die Höhe des über den Transistor 26 fließenden Stromes ist wiederum, wie weiter oben schon beschrieben, durch die Leitfähigkeit des Transistors 60 vorgegeben.

Sinkt die Umgebungstemperatur des Thermostaten 10 immer noch weiter, so schaltet die Schaltvorrichtung 35 den zweiten Schalter

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4l und den zweiten Kontakt 5I durch. Wegen der Betätigung des Schalters 51 vUchst der Emitter-Strom des Transistors 60 an, wodurch sich wiederum der Emitter-Strom des Transistors 26 vergrößert. Da der Strom mit jedem durchgeschalteten Kontakt um den gleichen Betrag anwächst, verdoppelt er sich bei durchgeschaltetem Kontakt 51 gegenüber dem Strom, der fließt, wenn nur der Kontakt 50 durchgeschaltet ist. An der am Transistor 26 abfallenden konstanten Spannung ändert sich hierdurch nichts. Dagegen verdoppelt der Über den Transistor 26 fließende Strom ebenfalls die von diesem Transistor abgegebene Wärmeverlustleistung, die wie weiter oben schon erwähnt, von dem über den Transistor 26 fließenden Strom nicht quadratisch sondern linear abhängig 1st. Die mit dem zusätzlichen Strom linear angewachsene Verlustwärme des Transistors 26 wird auf das Fühlglied 20 übertragen.

Daraus läßt sich erkennen, daß durch das zusätzliche Durchschalten der Schalter 42 und Hj zusammen mit den sich schliessenden Kontakten 52, 53 der durch den Transistor 60 und den Transistor 26 fließende Strom welter anteilig wächst, während die von den nacheinander eingeschalteten Heizkörpern des Heizers abgegebene Wärme in gleichgroßen Schritten zunimmt. Stimmt schließlich der Istwert mit dem Wärmesollwert Ubereln, so werden vom Thermostaten 10 Über die Schaltvorrichtung 55 die Schalter 40-43 entweder nacheinander oder gemeinsam (je nach Wirkungsweise der Schaltvorrichtung 35) abgeschaltet. Auch hierbei folgt dem Schaltzustand der Schalter 40-43 der Schaltzustand der Kontakte 50-53» wodurch sich wegen des vermindert über den Transistor 26 fließenden Stromes auch dementsprechend die von dem Transistor 26 abgegebene Wärmeverlustleistung ändert.

In dem Fall, daß ein Thermostat verwendet wird, wie er in der Patentanmeldung P 1903 7O6 beschrieben 1st, fließt über den Transistor 26 ein Strom, der ganz allgemein in Abhängigkeit von der öffnung eines Kraftstoffventlies moduliert wird. In diesem

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Fall vergrößert sich die von dem Transistor 26 abgegebene Wärmeverlustleistung noch zusätzlich linear mit der von dem Kraftstoffventil durchgelassenen Kraftstoffmenge.

Figur 2 zeigt eine Abwandlung der in Figur 1 dargestellten Wärmeregeleinrichtung, die den Thermostaten 10 betrifft. Bauelemente, die in beiden Figuren 1 und 2 einander gleichen, wurden durch die selben Bezugszeichen gekennzeichnet oder, soweit sie zur Darstellung der Abwandlung unwesentlich sind, in Figur 2 weggelassen. Ein in Figur 2 gezeigter Thermostat ist ebenso wie der Thermostat nach Figur 1 mit den Anschlußklemmen 11, einem FUhlglied 20 und einer Vergleichereinheit versehen, wobei die Vergleichereinheit in Figur 2 nicht dargestellt ist. Die aus den Widerständen 24 und 25 sowie dem Transistor 26 bestehende Baugruppe in Figur 1, wurde in Figur 2 durch eine Zenerdiode 70 ersetzt= Die Zenerdiode 7Q_S an der unabhängig von dem über sie fließenden Strom eine konstante Spannung abfällt, befindet sich, wie durch die Strichlinie Jl angedeutet, in wärmemäßiger Verbindung mit dem Fühlglied 20» Der über die Zenerdiode 70 fließende Strom hängt, ebenso wie der über den Transistor 26 in Figur 1 fließende Strom von der an sie angeschlossenen Last ab,. Die von der Zenerdiode abgegebene Wärmeverlustleistung ist analog zu dem Verhalten des Transistors. 26 in Figur 1 von dem über sie fließenden Strom linear abhängig. Obwohl sich durch die Verwendung der Zenerdiode 70 der Aufbau des Thermostaten 10 erheblich vereinfachen IaBt₁, ändert sich an dem Prinzip der thermischen Rückführung nichts _f da ebenso wie bei der Rückführung nach Figur 1 an dem Rückführungseleroent eine konstante Spannung abfallt und die vom Rückführungselement abgegebene WärmeverlustIeistung von dem über das Element fliessenden Strom linear abhängig ist«

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Abgesehen von der in Figur 2 dargestellten Abwandlung der thermischen Rückführung sind noch eine große Anzahl Weiterer Abwandlungen möglich, die hier nicht im einzelnen beschrieben werden sollen. Grundlage für alle diese weiteren Abwandlungen bildet immer ein Bauelement, an dem unabhängig von dem über dieses fließenden Strom eine im wesentliche gleichbleibende Spannung abfällt, so daß die von dem Bauelement abgegebene WärmeverlustIeistung von dem über das Bauelement fließenden Strom linear abhängig ist. Mit Hilfe dieser linearen Abhängig- λ keit ist es möslich, eine thermische Rückführung aufzubauen, bei der die rückgeführte Wärmeleistung der von den Heizkörpern des Heizers abgegebenen Wärmeleistung proportional ist.

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Claims

Patentansprüche

(lyMit einem Thermostaten und einer Steuereinheit versehene Wärmeregeleinrichtung, deren Thermostat ein Fühlglied
sowie eine Vergleichereinheit aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Thermostat (10) mit einem das Fühlglied (20) beaufschlagenden thermischen
Rückführungselement (26) versehen ist, welches in seiner Wärmeabstrahlung linear von dem es durchfließenden Strom abhängig ist, und

daß die an den Thermostaten angeschlossene Steuereinheit (14) mit einer Schaltvorrichtung (35) versehen ist, die
in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignales der
Vergleichereinheit (21) die von einem der V/ärmeregeleinrichtung (10-17) nachgeschalteten Heizer abgegebene Wärme

fr

stufenweise erhöht und dabei hierzu linear den durch das thermische Ruckführungselement fließenden Strom erhöht.
2. Wärmeregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlglied (20) ein temperaturabhängiger Widerstand und das thermische RUckführungselement ein Halbleiterbauelement (26,70) ist.

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3. Wärmeregel.einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ' g e k e η η ζ e lehnet, daß das Halbleiterbauelement ein Transistor (26) ist (Figur 1).
4-. Wärmeregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement eine Zenerdiode (70) ist (Figur 2).
5. Wärmeregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e η η ζ e lehne t, daß die Schaltvor- | richtung (35) in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignales der Vergleichereinheit (21) über einzelne parallel liegende Schalter (40-43) ein oder mehrere Heizrelais (17) einschaltet, wobei durch jedes Heizrelais ein Heizkörper gleicher Wärmeleistung eingeschaltet wird, daß die Schaltvorrichtung zusammen mit Jedem Schalter jeweils einen diesem zugeordneten Kontakt (50-53) schließt, der jeweils einen Strompfad (30,60,54, bzw. 57, bzw. 58, bzw. 59,0V) mit bestimmtem Widerstandswert (5^-59) zwischen dem thermischen Rückführungselement (26) und Masse schließt, daß die den einzelnen Kontakten zugeordneten Strompfade parallel geschaltet sind, so daß der elektrische Widerstand zwischen dem thermischen Rückführungselement und Masse der ' abgegebenen Wärmeleistung umgekehrt proportional ist, und daß das thermische RUckführungselement als Konstantspannungsquelle geschaltet ist, wodurch der Über dieses Element zur Masse fließende Strom, der von dem Element abgegebenen Wärmeleistung proportional ist.
6. Wärmeregelpinrichtung nach Anspruch 5» d a d u r c h ge - · kennzeichnet, daß die Schalter (40-43) von der Schaltvorrichtung (35) betätigteThyristoren und die Kontakte (50-53) mechanische Kontakte sind.

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7. WärmeregoleInrlchtunß nach einem der Ansprüche 1 - 6, d a durch gekennzeichnet, daß das RUckführungselement (26) ein an eine Gleichstromquelle (12) angeschlossener, als Konstantspannungsquelle geschalteter npn-Transistor ist.
8. Wärmeregeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, d a durch gekennzeichnet*.daß die Schaltvorrichtung (35) ein von einem Motor betätigter mehrstufiger Schrittschalter ist.
9. WärmeregeIeInrlchtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade Jeweils durch einen elektrischen Widerstand (5^-59) und die allen Strompfaden gemeinsame Emitter-Kollektor-Strecke (62,61) eines weiteren npn-Transistors (60) gebildet sind, dessen Basis (63) von einer positiven, konstanten Spannung angesteuert wird.

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