DE2029867A1

DE2029867A1 - Vorrichtung zur Temperaturregelung

Info

Publication number: DE2029867A1
Application number: DE19702029867
Authority: DE
Inventors: Knud Julius Nordborg Hallgreen (Dänemark). P
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1971-12-30
Also published as: DE2029867B2; US3737622A; BE767763A; SE363461B; NL7108439A; DK137620C; CH530051A; GB1313999A; FR2099251A5; DK137620B; NO129276B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperaturregelung mit einem elektrischen Heizwiderstand, dessen Leistungszufuhr regelbar ist.

Es ist bekannt, die von einem Heizwiderstand abgegebene Leistung durch eine einfache Ein-Aus-Steuerung zu regeln. Der Heizwiderstand wird bei einem unteren Grenzwert der Temperatur ein- und bei einem oberen Grenzwert der Temperatur ausgeschaltet. Hiermit läßt sich aber die an sich erstrebte konstante Temperatur nur unvollkommen einhalten? vielmehr tritt häufig ein irbersehwingen auf.

Eine genauere Temperaturregelung ist mit Hilfe einer Phasenanschnittsteuerung möglich, bei der dem Heizwiderstand jeweils nur über einen von der Regelung abhängigen Teil der Phase Strom zugeführt wird. Eine solche Steuerung ist aber für die Elektrizitätsversorgung unvorteilhaft, weil zahlreiche harmonische Schwingungen höherer Ordnung und Rundfunkstörungen entstehen. Dies trifft um so mehr zu, je höher die vom Heizwiderstand aufgenommene Leistung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrischen

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Heizwiderstand so zu regeln, daß die Temperatur möglichst konstant gehalten wird, aber keine Störungen der beschriebenen Art auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelö&t, daß ein-PTC-Widerstand mit dem Heizwiderstand in Eeihe liegt und von einem regelbaren Kühlluftstrom kühlbar ist.

Der PTC-Widerstand ist ein Yorwiderstand, der vom hindurchfließenden Strom beheizt wird und dessen Widerstandswert von seiner Eigentemperatur abhängt. Wird der PTC-Widerstand überhaupt nicht gekühlt, so stellt er sich auf eine sehr hohe Gleiehgewichtatemperatur ein, die den Heizstrom auf einen kleinen oder sehr kleinen Wert herabsetzt. Je stärker der PTC-Widerstand durch den luftstrom gekühlt wird, um so niedriger liegt die Gleichgewiohtstemperatur und um so höher ist damit der Heizstrom. Je größer der Wärmebedarf, um so größer muß der Kühlluftstrom sein. Man erhält daher auf einfache Weise eine Analogregelung von großen Leistungen mit einer sehr einfachen Hilfssteuerung. Bei alledem geht die im PTC-Widerstand umgesetzte Wärme nicht verloren? sie kann der Heizleistung hinzugerechnet werden.

Zweckmäßigerweise ist dem PTC-Widerstand ein Gebläse mit regelbarer Drehzahl zugeordnet. Durch eine einfache Drehzahlregelung läßt sich der Kühlluftstrom ändern.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gebläse einen Wechselstrommotor auf und die Regelung erfolgt mittels Phasenanschnittsteuerung. Da das Gebläse nur eine sehr geringe Leistung hat, z, B. 25 - 30 Watt, stört eine Phasenanschnitt' steuerung nicht, da die höheren harmonischen Schwingungen mit Bezug auf die übrige Elektrizitätsversorgung vernachlässigbar klein sind.

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Mit "besonderem Vorteil benutzt man ein einziges Gebläse zur Erzeugung des regelbaren Luftstroms für den PTC-Widerstand und eines Luftstroms zum Abführen der Wärme vom Heizwiderstand. Benutzt man ein Gebläse mit konstanter Drehzahl, kann der zu regelnde Luftstrom durch eine Drosselklappe o. dgl. verändert werden. Man kann aber auch den Heizwiderstand hinter dem PTC-Widerstand im regelbaren Luftstrom anordnen. - -,-,r,.,-.^ , »_;,-,,~

Zur Kühlung des PTC-WiderStandes genügen verhältnismäßig kleine Luftmengen. Auf jeden Pail kann man die Vorrichtung so auslegen, daß die Luftströmung zwar innerhalb weiter Grenzen verändert werden kann, trotzdem aber nicht wegen zu hoher Strömungsgeschwindigkeit von sich im Raum aufhaltenden Personen als unangenehm empfunden wird. Beispielsweise ist es möglich, den PTC-Widerstand mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen etwa 0,1 —' 4»0m/s zu bestreichen.

In manchen Fällen ist es günstig, eine Verzögerungseinrichtung vorzusehen, die den Luftstrom erst eine vorgegebene Zeit nach Einschalten der Reihenschaltung von PTC- und Heizwiderstand wirksam werden läßt. Damit erreicht man, daß beim Einschalten der Reihenschaltung der PTC-Widerstand zunächst rasch bis in die Uahe seiner Gleichgewichtstemperatur aufgeheizt wird, so daß der richtige Regeleffekt schon bald nach dem Einschalten erzielt wird.

Bei einer Ausführungsform ist ein Temperatur-Meßfühler vorgesehen, der über eine Brückenschaltung ein der Regelabweichung entsprechendes Signal an eine Steuervorrichtung gibt, die mit wachsender Signalgröße den Luftstrom verstärkt. Dies führt, zu einem sehr einfachen Ausbau der Regeleinrichtung.

Des weiteren kann in Reihe mit PTC- und Heizwiderstand ein Schalter vorgesehen sein, der in Abhängigkeit von einer vorgegebenen minimalen Regelabweichung betätigbar ist. Das bedeutet," daß dann, wenn der Sollwert mit dem Istwert im wesentlichen übereinstimmt, die Reihenschaltung vollständig vom Hetz abgetrennt

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wird. Es braucht dann kein den PTC-Widerstand auf einen hohen Widerstandswert treibender Ruhestrom zufließen. .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Gebläse "bei einer Regelabweichung, -unabhängig vom Vorzeichen in gleicher Weise regelbar, die Reihenschaltung von PiDC- und Heizwiderstand aber nur bei negativer Regelabweichung einschaltbar sein· Auf diese Weise erhält man mit der gleichen Regelvorrichtung nicht nur eine Heizung, sondern auch eine Kühlung. Denn wenn der Temperatur-Sollwert überschritten wird, arbeitet nur noch das Gebläse und zwar um so stärker, je höher die Temperatur ist. Palis eine einfache Luftumwälzung zur Kühlung nicht ausreicht, kann das Gebläse Außenluft in den Raum fördern oder es kann statt der Heizvorrichtung eine Kühlvorrichtung in den Gebläseluftstrom ^ eingeschaltet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturregelung,

Pig, 2 die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des verwendeten PTC-Widerstandes,

Pig. 3 in einem Diagramm die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit von der Meßfühlertemperatur und

Pig. 4 in einem Diagramm verschiedene in der Vorrichtung auftretende Spannungen in Abhängigkeit von der Meßfühlertemperatur.

An einem Einphasennetz 1 liegt über einem Hauptschalter 2 die Reihenschaltung eines Heizwiderstandes 3 und eines PTC-Widerstandes 4 sowie eines Relaisschalters 5, der in einem Steuergerät 6 untergebracht ist. Ein Gebläse 7 mit einem Wechselstrom-? motor 8 treibt einen regelbaren Luftstrom zunächst über den PTC-

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Widerstand 4 und dann über den Heizwiderstand 3.

An die Wechselspannung ist außerdem über eine die Spannung stabilisierende Gleiehrichterstufe 9 eine Brücken schaltung 10 angeschlossen, die in einem Zweig einen Temperaturme&fühler 11 in der Gestalt eines temperaturabhängigen Widerstandes aufweist. Diese Brückenschaltung gibt eine Brückenspannung TL, ab, die proportional der Abweichung der Ist-Temperatur von einer einstellbaren Soll-Temperatur ist, also der Regelabweichung entspricht. Die Spannung Un wird über einen Verstärker 12 dem Steuergerät 6 zugeführt. Das Steuergerät und der Verstärker werden ebenfalls von der Uetzwechselspannung gespeist.

Das Steuergerät erzeugt in Abhängigkeit von der verstärkten Brückenspannung Ug durch Phasenanschnittsteuerung eine effektive Steuerspannung U_g, die zum Antrieb des Gebläsemotors 8 dient *) Je größer die Spannung Ug, um so größer die Steuerspannung U„ und damit die Drehzahl des Gebläses 7 und die Kühlluftmenge.

In Mg· 2 ist veranschaulicht, wie sich der Widerstandswert

des PTC-Widerstandes 4 in Abhängigkeit von seiner Temperatur ändert. Bs sei angenommen, daß ..er bei Raumtemperatur den Wert E₂₅ habe, daß ein stabiler Zustand bei einer Eigentemperatur von 120 ö erreicht sei und daß die normale Wärmereglung zwischen den Eigentemperaturen 60 und 120 ° erfolge, was den Widerstandswerten Eg₀ bis R₁OQ entspricht.

In Pig. 3 ist die Drehzahl η des Gebläses über der Temperatur tj, des Meßfühlers 11 dargestellt. Fig. 4 zeigt die Brückenspannung U-g in voll ausgezogenen linien und die Steuerspannung U_g in strichpunktierten Linien über der gleichen Temperatur tp. Der Maßstab ist in Pig. 4 so gewählt, daß im Wärmebereich, also links der Soll-Temperatur von 26 ° C,die beiden Kuven einander decken.

*) und auch den Relaisschalter 5 betätigt.

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Sinkt die Temperatur unter den Sollwert von 26° C, ao wird nach etwa 0,07° C der Schalter 5 geschlossen und damit der PTC-Widerstand 4 und der Heizwiderstand 3 mit Strom versorgt. Dies entspricht dem Punkt a in I*igv 4. Der fließende Strom hat seinen

/ Infolgedessen wird der PTC-Widerstand 4 in kurzer Zeit, z· B. 30 Sekunden, so sehr erwärmt, daß er in seinen hochohmigen Bereich gerät. Inzwischen ist die Temperatur weiter abgesunken, z. B. um 0,1° C. Hier wird der Punkt c in Mg. 4 erreicht, bei dem das Gebläse zu laufen beginnt. Das Gebläse ist also mit einer gewissen Verzögerung eingeschaltet worden.

Nunmehr kühlt die Gebläseluft den PTC-Widerstand und zwar um so stärker, je tiefer die Temperatur gesunken war. In dem Ausführungsbeispiel entspricht einem Absinken der Ist-Temperatur ■ »■ um 0,3° C einer Gebläsedrehzahl η von 50 </< >, Hierdurch wird der PTC-Widerstand so stark gekühlt, daß er eine Temperatur von 60° C annimmt, welcher ein verhältnismäßig niedriger Widerstandswert RgQ zugeordnet ist. Demzufolge ergibt sich eine große Ieistungszufuhr zum Heizwiderstand 3. Wenn infolge der Beheizung die Temperatur wieder steigt, so schaltet das Gebläse in Punkt c ab und der Schalter 5 wird in Punkt b geöffnet. Zwischen diesen Punkten c und b fließt noch ein kleiner Strom durch die Widerstände 3 und 4, was gerechtfertigt ist, da die Soll-Temperatur noch nicht vollständig erreicht ist. Wenn aber der Meßfühler in Punkt b zeigt, daß der Sollwert bis auf 0,05° C angenähert worden ist, so kann auch dieser Strom abgeschaltet werden.

Wenn der Meßfühler 11 feststellt, daß die Temperatur t^ über dem Sollwert liegt, so kann unter Beibehaltung aller Bauteile das Gebläse zur Kühlung herangezogen werden. Dies ist in dem rechts der Soll-Temperatur von 26° C liegenden Feld der Fig. 3 und 4 ersichtlich. In diesem Bereich sind die Widerstände 3 und 4 durch den Schalter 5 abgeschaltet. Jedoch wird bei einer Regelabweichung von 0,1° C im Punkt d wtderum der Gebläsemotor eingeschaltet. Dieser fördert Luft in einer Menge, die der Temperatur abv'eichung proportional ist. Bei der Kälte-

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regelung kann eine andere Übersetzung zwischen der Brückenspannung TJ_x, und der Steuerspannung TJ₀ gewählt werden, wie es 3?ig_e z-eigte Der Kühleffekt kann verstärkt werden, wenn die'in diesem Zustand geförderte Luft dem Raum von außen zugeführt oder über eine Kühlvorrichtung geleitet wird. Letzteres kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Schalter 5 als "Umschalter ausgebildet ist, der in seiner anderen Stellung die Kühlvorrichtung einschaltet.

In der beschriebenen Weise läßt sich eine Heizleistung in recht großen Bereichen regeln, beispielsweise zwischen 45 und 800 Watt,

Es genügt auch, lediglich den PTC-Widerstand 4 der regelnden Luftströmung auszusetzen. Die Luftströmung kann auch dadurch geregelt werden, daß eine regelbare Blende eingeschaltet wird. Dies empfiehlt sich z. B. dann, wenn kein Gebläse, sondern eine einfache Konvektionsströmung für die Erzeugung des regelnden Luftstroms benutzt wird.

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Claims

Patentansprüche

ο. Vorrichtung zur Temperaturregelung mit einem elektrischen

Heizwiderstand, dessen Leistungszufuhr regerbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein PTC-Widerstand (4) mit dem Heizwiderstand (3) in Reihe liegt und von einem regelbaren Luftstrom kühlbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem PTCr-Widerstand (4) ein Gebläse (7) mit regelbarer Drehzahl zugeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (7) einen Wechselstrommotor (8) aufweist
und die Regelung mittels Phasenanschnittsteuerung erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch ein einziges Gebläse (7) zur Erzeugung des regelbaren Luftstroms für den PTC-Widerstand (4) und eines Luftstroms zum Abführen der Wärme^om Heizwiderstand (3).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4,dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (3) hinter dem PTC-Widerstand (4) im regelbaren Luftstrom liegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Verzögerungseinrichtung, die den Luftstrom erst eine vorgegebene Zeit nach Einschalten der Reihenschaltung von PTC- und Heizwiderstand (3, 4) wirksam werden laßt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch einen Temperatur-Meßfühler (11), der über eine Brückenschaltung (10) ein der Regelabweichung entsprechendes Si-gnsl (U-g\ an eine Steuervorrichtung (6, 7, 8) gibt, die mit wachsender Signalgröße dqn Luftstrom verstärkt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen

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Schalter (5) in Reihe mit PTO- und Heizwiderstand (3, 4),
der in Abhängigkeit von einer vorgegebenen minimalen Regelabweichung (U-o) betätigbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (7) bei einer Regelabweichung
(Ug), unabhängig vom Vorzeichen in gleicher Weise regelbar, die Reihenschaltung von PTO- und Heizwiderstand (5, 4) aber nur bei negativer Regelabweichung einschaltbar ist.

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