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Info

Publication number: DE2214894A1
Application number: DE19722214894
Authority: DE
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1971-04-01
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1972-10-12
Also published as: FR2132922A5

Description

Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thul
Stuttgart

J.B.Raso-1

INTER.JATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Einrichtung zur Überwachung der Umlaufgeschwindigkeit eines Wärmeaustauschmittels.

In elektrischen Geräten ist oft Zwangskühlung vorgesehen, um Schäden, die durch übermäßige Erwärmung von Schaltkreisen entstehen könnten, zu vermeiden. Die Kühlung erfolgt durch Wärmekontakt der elektrischen Bauteile mit dem Kühlmittel, z.B. Wasser, Luft, öl, usw. Man unterscheidet Kühlung mit ruhendem oder mit bewegtem Kühlmittel. Bei Kühlung mit bewegtem Kühlmittel kann sich dieses im völlig geschlossenen Gerätegehäuse befinden, ohne daß es durch eine äußere Quelle erneuert wird, oder es ist an eine äußere Quelle angeschlossen. Im ersten Fall spricht man von einem Umlauf in einem geschlossenen Kreis und im zweiten Fall von einem Umlauf in einem offenen Kreis. In beiden Fällen hängt die Kühlwirkung vom Kühlmittel, von der Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit, von der Konstanz der Umlaufmenge und vom Wärmekontakt zwischen dem geschützten Teil und dem Kühlmittel ab.

23. -März 1972

Ne/An '^/m

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J.B.Raso-1

Nachdem die Wirksamkeit der Kühlung bei einer bestimmten Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit ermittelt wurde, die erforderlich ist, um die Betriebsfähigkeit des Gerätes aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, dafür zu sorgen, daß der Umlauf entsprechend den äußeren Bedingungen gesteuert wird. Der Umlauf wird durch strornbetriebene elektromechanische Vorrichtungen wie Luftgebläse, Pumpen, usw.hervorgerufen und gesteuert. Diese Vorrichtungen können wegen mechanischen oder elektrischen Fehlern ausfallen. Deshalb ist es notwendig, daß jeder Fehler, der den Kühlmittelumlauf beeinflußt, sofort nach dessen Auftreten angezeigt wird, um eine Zerstörung des Gerätes zu verhindern. Aus diesem Grunde ist eine überwachungseinrichtung für einen der Parameter des Wärmeaustausches erforderlich. Eine mechanische überwachungseinrichtung, die vom Kühlmittel bewegt wird, wie z.B. ein Anemometer, kann verwendet werden. Diese bekannte Lösung eignet sich jedoch nicht für Geräte für Fahrzeuge, da dort starke, schwankende Erschütterungen auftreten.

Es ist auch erforderlich, daß die auf den Kühlmittelumlauf ansprechende überwachungseinrichtung unabhängig von der Temperatur des Kühlmittels arbeitet.

Es ist bekannt, daß der Kollektorstrom und die Verstärkung von Transistoren mit der Temperatur zunehmen. Bei den meisten Schaltungen werden diese Nachteile durch Temperatur-Kompensationsschaltungen vermieden. Andererseits ist es auch bekannt, die Temperaturabhängigkeit von Transistoren zur Anzeige von Temperaturunterschieden zu verwenden, wie in dem Artikel von J.A.IRVINE in Electronics, Band 36, (1963), No. 4, S. 56 - 58, beschrieben. Dort wird die Temperaturabhängigkeit von Transistoren zur Anzeige von Straßentemperaturen unter 0° C verwendet.

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J. ::. . :-;aSO-l λ

Γ.3 ist oie Aufgabe eier Erfindung₃ eine Überwachungseinric"-::tanfür die Umlaufgeschwindigkeit eines Kühlmittels anzugeben, die die oben angegebenen Forderungen erfüllt . ur.'J äie besonders zur. Einsatz in Fahrzeugen geeignet ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie im Betriebstemperaturbereich eine praktisch lineare Empfindlichkeit auf Vi ei st.

Tie Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Figur ist rriit 1 bzw. 2 die positive bzw, die negative Versorgungsleitung bezeichnet, die eine Gleichspannung + Tl bzw. - Ξ2 führt. Die überwachungseinrichtung enthält einen aus zwei Transistoren Tl und T2 bestehenden Differenzverstärker. Die beiden Transistoren haben den ..■!eichen Temperaturgang im Betriebs temperaturbereich, d.h. es handelt sich um paarweise ausgesuchte Transistoren oder es sind entsprechende iTornpenöationsua^nahmen getroffen. TvS können Silizium- oder Germaniurr.transistoren verwendet vrerien; sie Müssen nur eine hohe Stromverstärkung haben.

Zwischen den Leitungen 1 und 2 liegt ein Spannungsteiler, bestehend aus ö&i: V'iderständen Rl und R2, die gleiche Tenperaturkoeffizienten haben. Ar: Vertindunpspunkt der beiden l;id er stände Rl und R2 liegen u: e Basen der beiden Transistoren. Diese erhalten so die gleiche Vorspannung. Die Kollektoren

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BAD ORKStNAL

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der Transistoren Tl und T2 sind mit den Klemmen 6 und 7 eines Galvanometers 7, das zu einem Spannungsmesser Ml gehört, verbunden. Zwischen den Emittern der Transistoren liegt ein Potentiometer R5, dessen Schleifer über einen Widerstand R6 mit der Leitung 2 verbunden ist. Die Klemmen 6 und 7 sind auch mit den Klemmen 8 bzw. 9 eines Spannungsverstärkers M2 verbunden. Der Ausgang von M2 wird mit dem Eingang eines Spannungsdetektors M3 verbunden. Der Ausgang von 143 ist mit dem Eingang eines Spannungsvergleichers M4 verbunden. Der zweite Eingang des Spannungsvergleichers M4 ist über Widerstände R7 und R8 mit den Leitungen 1 und 2 verbunden. Die beiden Widerstände R7 und R8 dienen dazu, eine Vergleichsspannung zur Meßspannung bereitzustellen. Der Ausgang der Spannungsvergleichseinrichtung IAk ist mit einer Anzeigeeinrichtung M5 oder einer Steuereinrichtung für den Kühlmittelumlauf verbunden.

Diese Schaltung arbeitet wie folgt:

Der erste Transistor Tl befindet sich auf der Seite einer gedruckten Schaltungsplatte, die sich außerhalb des Kühlmittels befindet. Andere Bauelemente und Schaltkreise befinden sich ebenfalls auf dieser Seite der Platte. Nur der zweite Transistor T2 befindet sich auf der anderen Seite der gedruckten Schaltungsplatte. Diese andere Seite ist so in das Gerät eingebaut, daß sie vom bewegten Kühlmittel gekühlt wird. Die Schaltung wird so eingestellt, daß beide Transistoren gleichmäßig auf eine um etwa 20 - 30° über der Temperatur des ruhenden Kühlmittels liegende Temperatur erwärmt werden. Bei ruhendem Kühlmittel wird das Potentiometer R5 so eingestellt, daß das Galvanometer G nicht ausschlägt. Danach wird das Potentiometer R5 gegen unbeabsichtigtes Verstellen gesichert.

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Nun wird der Kühlmittelumlauf angeschaltet. Der Transistor Tl wird hierdurch nicht beeinflußt, da er sich außerhalb des Kühlmittels befindet, jedoch erfolgt eine Beeinflussung des zweiten Transistors T2, da sein Gehäuse gekühlt wird. Die Wärmeabfuhr durch Konvektion steigt mit steigender Kühlmittelgeschwindigkeit und dadurch sinkt die Temperatur des Halbleiters. Dadurch kommt der aus den Transistoren Tl und T2 bestehende Differenzverstärker aus dem Gleichgewicht und es tritt eine Spannung bei den Punkten 6 und 7 auf. Der Kollektorstrom des konvektionsgehaltenen Transistors T2 ist kleiner als der Kollektorstrom des Transistors Tl. Die Spannung am Widerstand R3 ist proportional dem Kollektorstrom des Transistors Tl und größer als die Spannung am Widerstand R*l, die proportional dem Kollektorstrom des Transistors T2 ist. Am Galvanometer G tritt eine Spannungsdifferenz Δ V auf.

Δ V = V₆ - V₇ = f(i₁ - i₂). ■ „

Hierin sind i- und i~ die Kollektorströme der Transistoren T^ und Tp. Die Spannung Δ V steigt zuerst an und stellt sich dann auf einen Endwert ein. Wenn dieser erreicht ist, dann werden die Klemmen 6 und 7 mit den Klemmen 8 und 9 "verbunden. Die Spannung zwischen 8 und 9 wird im Spannungsverstärker M2 verstärkt. Dieser ist temperaturstabilisiert. Das verstärkte Signal vom Ausgang des Verstärkers M2 gelangt zum Spannungsdetektor M3 und von dort zur Spannungsvergleichseinrichtung M4, in der das Signal mit der an den Widerständen R7 und RB vorhandenen Vergleichsspannung verglichen wird. Ist das Ausgangssignal von M3 größer als die Vergleichsspannung, dann gelangt ein Signal zur Anzeigeeinrichtung M5. Ist sie kleiner, dann gelangt kein Signal auf die Anzeigeeinrichtung.

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Die Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise eine Lampe sein. Diese bleibt eingeschaltet, solange der Transistor T2 ausreichend gekühlt wird. Wenn z.B. wegen Ausfall der Kühlmittelumwälzeinrichtung die Spannungsdifferenz abnimmt und dabei kleiner als die Bezugsspannung wird, hört das Ausgangssignal von Rh auf und die Anzeigelampe erlischt. Auf diese V/eise erfährt die Bedienungsperson, daß bei Fortsetzung des Betriebes das Gerät Schaden nehmen würde. Sie wird deshalb das Gerät abschalten und die Kühlmittelumwälzeinrichtung ersetzen.

Die beschriebene Einrichtung hat beträchtliche Vorteile. Erstens ist sie einfach und billig. Jede beliebige Transistortype kann verwendet werden. Es genügt, zwei in ihren Kennlinien übereinstimmende Transistoren auszusuchen. Die Widerstände Rl und R2 sollen aus der gleichen Lieferung stammen. Es können Kohlewiderstände mit 20 Ohm sein. Der Verstärker M2, der Detektor M3 und der Vergleicher M^ können integrierte Schaltkreise sein.

Zweitens ist die Schaltung zuverlässig. Hört der Kühlmittelumlauf auf, erwärmt sich nach einer kurzen Zeit der nicht mehr gekühlte Transistor T2. Danach ist das Spannungsgleichgewicht wie im Ruhezustand vorhanden. Einer konstanten Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit entspricht eine konstante Spannungsdifferenz.

Die Schaltung ist in einem weiten Temperaturbereich ausreichend empfindlich. Mit Silizium-Transistoren wurde im Temperaturbereich zwischen - 40° C und + 120 C hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit festgestellt.

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Je höher die Stromverstärkung der Transistoren, desto höher die Empfindlichkeit. Mit zwei Transistoren des Typs 2 M 2218 erhält man eine Spannungsdifferenz Δ V von etwa 150 ,uV pro Grad Celcius an den Klemmen 6 und 7·

Es gibt viele Anwendungen für die Schaltung. Sie kann als Anemometer verwendet werden, wobei sich der eine Transistor an einer windgeschützten Stelle befindet und der andere dem Wind ausgesetzt wird. Wach genauer Eichung entspricht einer bestimmten Spannungsdifferenz eine bestimmte Windgeschwindigkeit.

Die Schaltung hat sich sehr bewährt zur Anzeige von Änderungen der Kühlmittelgeschwindigkeit bei elektrischen Geräten, die mit offener oder geschlossener Luftzwangskühlung arbeiten.

Die Schaltung kann vorteilhaft als Ersatz für Thermistoren verwendet werden, mindestens im Temperaturbereich unter 150⁰C. Die Empfindlichkeit der Schaltung ist größer und konstanter im Betriebstemperaturbereich als bei Thermistoren.

4 Patentansprüche
1 Bl. Zeichnungen

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Claims

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Patentansprüche:

1.) Einrichtung zur überwachung der Uralaufgeschwindigkeit eines Wärmeaustauschmittels, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker mit Transistoren vorgesehen ist, dessen einer Transistor im unbewegten und dessen anderer Transistor im bewegten Wärmeaustauschmittel angeordnet ist.

!. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker so ausgelegt ist, daß im ungestörten Fall an den Kollektoren der Transistoren eine Spannungsdifferenz auftritt, die verstärkt und mit einer Vergleichsspannung verglichen wird und daß ein Ausgangssignal abgegeben wird, wenn die Differenzspannung größer bzv;. kleiner als die Vergleichsspannung ist.

3. Einrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal den Kühlmittelumlauf steuert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Silizium-Transistoren mit gleichen Tercperaturkoeffizienten sind.

23. März 1972
He/An

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